เมื่อเราคิดถึงไฟฟ้า เราจะนึกถึงสายไฟเป็นธรรมดา ตั้งแต่สายส่งไฟฟ้าแรงสูงไปจนถึงเส้นเล็กๆ บนแผงวงจรพิมพ์ สายไฟยังคงเป็นวิธีการพื้นฐานในการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

แต่ประวัติศาสตร์ได้แสดงให้เห็นอย่างสม่ำเสมอว่ามนุษย์ไม่ค่อยพอใจกับวิธีการพื้นฐานในการทำสิ่งต่างๆ เลย ดังนั้น เราไม่ควรแปลกใจเมื่อรู้ว่าการขยายตัวของไฟฟ้าตามมาด้วยความพยายามอย่างกว้างขวางในการปลดปล่อยการทำงานของไฟฟ้าจากข้อจำกัดของการเชื่อมต่อทางกายภาพ

มีหลายวิธีในการรวมฟังก์ชัน "ไร้สาย" เข้ากับระบบไฟฟ้า วิธีหนึ่งคือการใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งเป็นพื้นฐานของการสื่อสาร RF อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้มีความสามารถเฉพาะตัวในการขยายวงจรไฟฟ้าเข้าไปในโดเมนไร้สาย สิ่งใดก็ตามที่สามารถเดินทางผ่านวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าได้ เช่น การเคลื่อนที่เชิงกล คลื่นเสียง ความร้อน อาจใช้เป็นวิธีการ (ที่อาจจะหยาบๆ) ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นข้อมูลที่ไม่ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้า

สัญญาณแรงดันไฟฟ้า (หรือกระแสไฟฟ้า) รูปไซน์ที่ถูกจัดการอย่างระมัดระวังถือเป็นรากฐานของยุคไร้สายสมัยใหม่

เมื่อพิจารณาถึงเรื่องนี้แล้ว เราสามารถถามคำถามที่เกี่ยวข้องมากขึ้นกับตัวเองได้ เช่น เหตุใดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจึงเป็นวิธีที่นิยมใช้ เหตุใดการสื่อสารไร้สายประเภทอื่นจึงมีความสำคัญรองลงมา ก่อนที่เราจะตอบคำถามเหล่านี้ เรามาทำความเข้าใจกันก่อนว่าการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร

ทุ่งนาและคลื่น

คุณอาจต้องใช้เวลาหลายปีในการศึกษาข้อมูลรายละเอียดเกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า โชคดีที่คุณไม่จำเป็นต้องมีความเชี่ยวชาญขนาดนั้นเพื่อออกแบบและนำวงจร RF มาใช้ได้อย่างประสบความสำเร็จ แต่คุณต้องมีความคิดพื้นฐานเกี่ยวกับพลังงานลึกลับที่ปล่อยออกมาจากเสาอากาศของอุปกรณ์ของคุณ

ตามชื่อที่บ่งบอก การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก หากคุณมีแรงดันไฟฟ้า เช่น แรงดันไฟฟ้าข้ามอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ แสดงว่าคุณมีสนามไฟฟ้า (จากมุมมองทางคณิตศาสตร์ สนามไฟฟ้าจะแปรผันตามอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าในเชิงพื้นที่) หากคุณมีกระแสไฟฟ้า เช่น กระแสไฟฟ้าที่ผ่านอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศ แสดงว่าคุณมีสนามแม่เหล็ก (ความแรงของสนามจะแปรผันตามขนาดของกระแสไฟฟ้า)

แม้ว่าขนาดของแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าจะคงที่ แต่สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กก็ยังคงมีอยู่ อย่างไรก็ตาม สนามเหล่านี้จะไม่ แพร่กระจายหากเราต้องการคลื่นที่จะแพร่กระจายออกไปสู่จักรวาล เราต้องมี การเปลี่ยนแปลง ของ แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า

ส่วนประกอบไฟฟ้าและแม่เหล็กของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแสดงเป็นไซน์ตั้งฉาก

กุญแจสำคัญของปรากฏการณ์การแพร่กระจายนี้คือความสัมพันธ์ที่ยั่งยืนระหว่างองค์ประกอบไฟฟ้าและแม่เหล็กของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า สนามไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างสนามแม่เหล็ก และสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างสนามไฟฟ้า การฟื้นฟูซึ่งกันและกันนี้แสดงออกมาในลักษณะของสิ่งที่แยกจากกัน นั่นคือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อเกิดขึ้นแล้ว คลื่นนี้จะเดินทางออกจากแหล่งกำเนิด โดยพุ่งไปข้างหน้าด้วยความเร็วแสงวันแล้ววันเล่า ไปสู่ส่วนลึกของสิ่งที่ไม่รู้จัก

การสร้าง EMR เทียบกับการควบคุม EMR

การออกแบบระบบสื่อสาร RF ทั้งหมดไม่ใช่เรื่องง่าย อย่างไรก็ตาม การสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (EMR) ทำได้ง่ายมาก และในความเป็นจริง คุณสามารถสร้างมันได้แม้ในขณะที่คุณไม่ต้องการก็ตาม สัญญาณที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาในวงจรใดๆ ก็ตามจะสร้าง EMR รวมถึงสัญญาณดิจิทัลด้วย ในกรณีส่วนใหญ่ EMR นี้เป็นเพียงสัญญาณรบกวน หากไม่ได้ก่อให้เกิดปัญหาใดๆ คุณสามารถละเลยได้ ในบางกรณี อาจเกิดการรบกวนวงจรอื่นๆ ได้ ซึ่งในกรณีนี้จะกลายเป็น EMI (สัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า)

เราจะเห็นได้ว่าการออกแบบ RF ไม่ได้เป็นเพียงการสร้าง EMR เท่านั้น แต่การออกแบบ RF นั้นเป็นทั้งศิลปะและวิทยาศาสตร์ในการสร้าง จัดการ และตีความ EMR ในลักษณะที่ช่วยให้คุณสามารถถ่ายโอนข้อมูลที่มีความหมายระหว่างสองวงจรที่ไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดยตรงได้อย่างน่าเชื่อถือ

ทำไมต้อง EMR?

ตอนนี้เราลองกลับไปที่คำถามว่าทำไมระบบที่ใช้ EMR จึงเป็นที่นิยมมากเมื่อเทียบกับระบบสื่อสารไร้สายรูปแบบอื่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ทำไมคำว่า "ไร้สาย" จึงมักหมายถึง RF ในขณะที่ปรากฏการณ์อื่นๆ สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้โดยไม่ต้องใช้สาย มีเหตุผลหลายประการดังนี้:

ความคล่องตัว

EMR เป็นส่วนขยายตามธรรมชาติของสัญญาณไฟฟ้าที่ใช้ในวงจรแบบมีสาย แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะสร้าง EMR ไม่ว่าคุณจะต้องการหรือไม่ก็ตาม และยิ่งไปกว่านั้น EMR ยังเป็นตัวแทนที่แม่นยำของส่วนประกอบ AC ของสัญญาณดั้งเดิมอีกด้วย

‍แต่ละส่วนของ รูปแบบคลื่น QPSK ที่ซับซ้อนนี้ จะถ่ายโอนข้อมูลดิจิทัล 2 บิต

ลองพิจารณาตัวอย่างที่ไม่เป็นจริงอย่างยิ่ง (และไม่สามารถใช้งานได้จริง) นั่นก็คือ ระบบสื่อสารไร้สายที่ใช้ความร้อน ลองนึกภาพว่ามีอุปกรณ์แยกกันสองชิ้นอยู่ในห้อง อุปกรณ์ส่งสัญญาณจะเพิ่มอุณหภูมิในห้องให้ถึงระดับหนึ่งตามข้อความที่ต้องการส่ง และอุปกรณ์รับสัญญาณจะวัดและตีความอุณหภูมิโดยรอบ นี่เป็นระบบที่เชื่องช้าและใช้งานยาก เนื่องจากอุณหภูมิในห้องไม่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณไฟฟ้าที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำ ในทางกลับกัน EMR ตอบสนองได้ดีมาก สัญญาณ RF ที่ส่งออกสามารถสร้างคลื่นความถี่สูงที่ซับซ้อนซึ่งใช้ในระบบไร้สายที่ทันสมัยได้อย่างแม่นยำ

ความเร็ว

ในระบบที่เชื่อมต่อด้วยไฟฟ้ากระแสสลับ อัตราการถ่ายโอนข้อมูลจะขึ้นอยู่กับความเร็วของสัญญาณที่มีการเปลี่ยนแปลง กล่าวอีกนัยหนึ่ง สัญญาณจะต้อง ทำบางอย่างเช่น เพิ่มและลดแอมพลิจูด จึงจะถ่ายทอดข้อมูลได้ ปรากฏว่า EMR เป็นสื่อการสื่อสารที่มีประโยชน์แม้ในความถี่สูงมาก ซึ่งหมายความว่าระบบ RF สามารถถ่ายโอนข้อมูลได้ในอัตราที่สูงมาก

พิสัย

การสื่อสารแบบไร้สายมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการสื่อสารระยะไกล หากเครื่องส่งและเครื่องรับอยู่ใกล้กัน การใช้สายมักจะง่ายกว่าและคุ้มต้นทุนกว่า แม้ว่าความแรงของสัญญาณ RF จะลดลงตามกฎกำลังสองผกผัน แต่ EMR ซึ่งใช้ร่วมกับเทคนิคการมอดูเลตและวงจรเครื่องรับที่ซับซ้อน ยังคงมีความสามารถที่โดดเด่นในการถ่ายโอนสัญญาณที่ใช้งานได้ระยะไกล

ความเข้มข้นของ EMR จะลดลงแบบเอ็กซ์โพเนนเชียล เนื่องจากพลังงานที่ปล่อยออกมาแพร่กระจายออกไปในทุกทิศทาง

ไม่จำเป็นต้องมีเส้นสายตา

สื่อการสื่อสารไร้สายเพียงประเภทเดียวที่สามารถแข่งขันกับ EMR ได้คือแสง ซึ่งอาจไม่น่าแปลกใจนัก เนื่องจากแสงเป็น EMR ความถี่สูงมาก แต่ธรรมชาติของการส่งสัญญาณด้วยแสงเน้นย้ำถึงข้อได้เปรียบที่ชัดเจนที่สุดของการสื่อสารด้วย RF นั่นคือไม่จำเป็นต้องมีแนวการมองเห็นที่ชัดเจน

โลกของเราเต็มไปด้วยวัตถุทึบที่ปิดกั้นแสง แม้กระทั่งแสงที่มีพลังมาก เราทุกคนต่างเคยประสบกับความสว่างจ้าของดวงอาทิตย์ในช่วงฤดูร้อน แต่ความเข้มของแสงนั้นลดลงอย่างมากโดยไม่มีอะไรมากไปกว่าผืนผ้าบางๆ ในทางกลับกัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำที่ใช้ในระบบ RF สามารถผ่านผนัง กล่องพลาสติก เมฆ และ—แม้ว่าจะดูแปลกเล็กน้อย—แต่ก็ผ่านทุกเซลล์ในร่างกายมนุษย์ สัญญาณ RF ก็ไม่ได้รับผลกระทบจากวัสดุเหล่านี้โดยสิ้นเชิง และในบางกรณี อาจเกิดการลดทอนลงอย่างมาก แต่เมื่อเทียบกับแสง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ต่ำสามารถผ่านได้ทุกที่

สรุป

• “RF” หมายถึงการใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในการถ่ายโอนข้อมูลระหว่างสองวงจรที่ไม่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าโดยตรง
• แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาจะสร้างพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายในรูปของคลื่น เราสามารถถ่ายโอนข้อมูลแอนะล็อกและดิจิทัลแบบไร้สายได้โดยการจัดการและตีความคลื่นเหล่านี้
• EMR เป็นรูปแบบการสื่อสารไร้สายที่โดดเด่น ทางเลือกหนึ่งคือการใช้แสง (เช่นในไฟเบอร์ออปติก) แต่ RF มีความยืดหยุ่นมากกว่ามากเนื่องจาก EMR ความถี่ต่ำจะไม่ถูกบล็อกโดยวัตถุทึบแสง

‍