Radiosystemets byggstenar

Varje gång du lyssnar på radio, ringer med mobilen eller låser upp bilen med nyckelbrickan används samma grundidé: information läggs på en radiovåg, skickas genom luften och plockas upp igen i andra änden. Hur olika systemen än ser ut är de byggda av ett litet antal byggstenar, eller block, som var och en har en tydlig uppgift. Kan du blocken förstår du principen för nästan all radioutrustning, och det är också grunden i tekniken på certifikatprovet för radioamatörer.

En radiolänk i sju steg#

Ingenjörer ritar gärna radiosystem som blockscheman: rutor för varje funktion och pilar som visar åt vilket håll signalen går. Det är ett sätt att se helheten utan att fastna i detaljerna inne i varje ruta. Matematikern Claude Shannon ritade redan 1948 ett sådant schema för ett allmänt kommunikationssystem, med en källa, en sändare, en kanal där brus tillkommer, en mottagare och en slutlig mottagare av meddelandet¹. Figur 1 visar samma idé för en radiolänk.

Om vi följer en röst genom en vanlig handapparat (walkie-talkie) ser stegen ut så här:

1. Informationskällan är din röst. Mikrofonen gör om ljudvågorna till en svag elektrisk spänning som varierar i takt med ljudet.
2. Modulatorn lägger ljudet på en radiofrekvent bärvåg.
3. Sändaren förstärker signalen till några hundra milliwatt eller några watt.
4. Sändarantennen gör om strömmen i antennen till en elektromagnetisk våg.
5. Kanalen är luften, terrängen och husen mellan apparaterna.
6. Mottagarantennen och mottagaren fångar en liten del av vågen, väljer ut rätt frekvens och förstärker.
7. Demodulatorn tar fram ljudet igen, och högtalaren gör det hörbart för den som lyssnar.

Källan: något att skicka#

Informationen kan vara tal, musik, bilder, mätvärden från en sensor eller ren data från en dator. Det första blocket gör om informationen till en elektrisk signal, den så kallade basbandssignalen (eng. baseband). En mikrofon ger en spänning som följer ljudet, en temperaturgivare ger ett tal, en dator ger ettor och nollor.

I moderna system görs nästan allt om till siffror redan här. Ljudet samplas, komprimeras med en talkodare och skyddas med extra bitar som gör att fel kan rättas i mottagaren. Det beskrivs närmare i digitalisering och ljudkodning och felrättande kodning.

Modulatorn: informationen läggs på bärvågen#

Ljud och data har för låga frekvenser för att kunna skickas direkt som radiovågor; antennerna skulle behöva bli kilometerlånga och alla sändare skulle krocka med varandra. Därför används en bärvåg (eng. carrier), en jämn svängning på en hög frekvens, till exempel 446 MHz. Modulatorn ändrar bärvågens amplitud, frekvens eller fas i takt med informationen. Det kallas modulation.

En liknelse: bärvågen är en lastbil på en motorväg. Lastbilen själv bär ingen information, men lasten (moduleringen) gör det. Varje lastbil kör i sitt eget körfält, sin egen frekvens, så att de inte krockar. Hur brett körfältet behöver vara kallas bandbredd.

Sändaren: rätt frekvens och tillräcklig effekt#

Sändaren har två huvuduppgifter: att signalen hamnar exakt på rätt frekvens och att den blir tillräckligt stark. Inne i sändaren finns därför en oscillator som skapar bärvågen, ofta styrd av en kvartskristall så att frekvensen blir stabil, och en eller flera förstärkare som höjer effekten. Sist sitter ett filter som tar bort oönskade signaler, till exempel övertoner på dubbla och tredubbla frekvensen, så att sändaren inte stör andra radiotjänster.

Hur oscillatorer och förstärkare fungerar beskrivs i sändaren.

Antennen: från ledning till våg#

Mellan sändaren och antennen går ofta en matarledning, till exempel en koaxialkabel. Antennen gör om den elektriska strömmen till en elektromagnetisk våg som breder ut sig i rummet. Samma antenn fungerar lika bra åt andra hållet: på mottagarsidan gör den om en del av vågen till en svag ström. Det kallas reciprocitet och förklaras i så fungerar en antenn.

Antennens storlek hänger ihop med våglängden, λ = c/f. Därför är en antenn för FM-radio runt 100 MHz någon meter lång, medan en Wi-Fi-antenn för 2,4 GHz får plats inuti en router.

Kanalen: där signalen blir svag#

Kanalen är allt som händer med signalen på vägen. Tre saker spelar störst roll:

• Dämpning. Vågen sprids ut över en allt större yta, ungefär som ljuset från en ficklampa. Dessutom tar väggar, träd och kullar bort en del. Hur stora förlusterna blir beror på frekvens och avstånd, se så färdas radiovågor.
• Brus. Allt varmt material, även antennen och mottagaren själv, skapar ett svagt slumpmässigt sus. Till det kommer brus från blixtar, rymden och elektriska apparater. Läs mer i brus och signal-brusförhållande.
• Störningar. Andra sändare på samma eller närliggande frekvenser kan överrösta den signal du vill ta emot.

Dämpningen är enorm. Därför räknar radiotekniker i decibel och anger effekt i dBm, decibel jämfört med en milliwatt (0 dBm = 1 mW, 30 dBm = 1 W). Figur 2 följer signalen från en sändare på 1 W till en mottagare 2 km bort.

Mottagaren: hitta en signal bland tusentals#

Antennen fångar inte bara den signal du vill ha, utan alla signaler på alla frekvenser samtidigt: rundradio, mobilnät, flygradio och mycket annat. Mottagaren har därför tre uppgifter:

• Selektivitet: att välja ut en enda frekvens och stänga ute grannarna. Det görs med filter och resonanskretsar, se resonanskretsar och filter.
• Känslighet: att kunna ta emot mycket svaga signaler utan att drunkna i sitt eget brus.
• Förstärkning: att göra signalen miljontals gånger starkare så att den kan demoduleras.

Nästan alla mottagare i dag är så kallade superheterodyner eller digitala direktomvandlare. Hur de fungerar beskrivs i mottagaren.

Demodulatorn: tillbaka till informationen#

Demodulatorn gör det omvända mot modulatorn: den läser av hur bärvågen ändras och återskapar basbandssignalen. I en FM-radio blir det ljud. I en digital mottagare blir det ettor och nollor som felrättas, packas upp och till sist blir ljud, bild eller data. I många moderna apparater görs demoduleringen av en processor med programvara, så kallad mjukvarudefinierad radio.

Sändtagaren: allt i en låda#

En handapparat, en mobiltelefon och en amatörradiostation både sänder och tar emot. En sådan apparat kallas sändtagare (eng. transceiver). Blocken delar ofta på samma antenn, samma frekvensreferens och samma styrenhet (figur 3).

Om sändning och mottagning sker växelvis, som med en walkie-talkie där man säger ”kom” och släpper knappen, kallas det simplex eller halvduplex. En mobiltelefon sänder och tar emot samtidigt, helduplex, och använder då antingen olika frekvenser eller snabba tidsluckor. Se multipel access och duplex.

Samma byggstenar överallt#

Alla system har inte alla block. En FM-radio har bara mottagarsidan, och en rundradiosändare bara sändarsidan. Tabell 1 visar några exempel.

Tabell 1. Byggstenar i några vanliga radiosystem.

Kontrollfrågor#