Fisica del Wireless

Introduzione

Radio 🟩

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Antenna: converte corrente in segnali radiorequenza e viceversa. le segnali radiofrequenza sono onde radio con frequenza diversa per rappresentare 1 o 0. Un altro modo per mandare 1 o 0 sarebbe semplicemente cambiare l’intensità della onda, mantenendo la stessa frequenza.

Viene utilizzata una variazione di potenziale elettrico per creare il segnale, dovrebbe essere un oscillatore armonico in pratica credo. Creando questo flusso di elettroni, crea anche un campo elettromagnetico a lui ortogonale, questa è l’onda radio, che si propaga alla velocità della luce.

Essì per capire questa parte serve ripassare un pò di fisica, in Onde elettromagnetiche scuola (in realtà c’è molto poco qui).

Il prof ha spiegato questo fenomeno in 20 minuti, questo video sembra buono per comprendere questa cosa.

Caratteristiche dell’onda elettromagnetica (3) 🟩

L’onda radio utilizzata in wireless è solamente un sottotipo delle onde radio.

Frequenza onda

La relazione fra lunghezza d’onda e frequenza dell’onda con la velocità dell’onda è conosciuta: $v = f\lambda$ Comunque la frequenza è un altra caratterizzazione importante per l’onda.

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Nota: questo è un range di frequenza! Questo ci permette di creare molti canali con frequenze diverse.

Un problema molto difficile è la scomposizione delle frequenze, così possiamo isolare i singoli canali. Le onde sono additive, sono tutte messes assieme!

NOTA: massima efficienza per la creazione di onde è quando la lunghezza dell’antenna è stessa lunghezza dell’onda radio, ma anche sottomultipli binari sembrano andare bene.

Ampiezza

Poi l’intensità, ossia l’ampiezza dell’onda, è l’altro carattere importante

È strettamente correlato con l’energia utilizzata per generare l’onda, cioè se ho ampiezza maggiore ho speso in generare più energia per generare quell’onda.

Nota: L’energia dell’onda decade in distanza quadratica, (se voglio raggiungere doppia distanza, devo quadruplicare la potenza) quindi perde energia molto velocemente. In modo intuito il motivo per cui questo succede è che l’energia iniziale è la stessa, idealmente dopo un certo momento è ancora la stessa energia (nel senso che non la perdo), però è dispersa in una area molto maggiore, che si espande quadraticamente con la distanza, ecco che quando andiamo a ricevere stiamo prendendo solamente un pezzo molto piccolo di questa energia iniziale.

• Esempio del panino con la nutella

  Questo è un esempio che il prof. ha fatto in aula, è un modo molto visivo per dare l’intuito di questa decadimento di potenza.

  1. Mettiamo caso che prendiamo un cucchiaione di nutella e la spalmiamo sulla fetta. In questo caso la fetta è bona, si sente bene la nutella.
  2. Mettiamo caso che di nuovo prendiamo il cucchiaione, la mettiamo sulla fetta. E ops, la fetta diventa in un secondo grosso 300km, la nutella è sempre la stessa, ed è spalmata uniformemente, ora la sento ancora la nutella?
  3. Se c’è anche un muro poi mi perndi anche la nutella quando la fetta si espande! ne ho ancora di meno

Ovviamente se diventa troppa poca l’eneergia, poi non riesco a sentire cosa dice! cioè non detecto il segnale

• Slide decadenza di potenza

Fase dell’onda

Una terza caratterizzazione, oltre l’ampiezza e la frequenza è la fase dell’onda. ossia quanto sono spostate rispetto a un periodo assoluto (questo shift di fase è in radianti o gradi)

Un onda spostata rispetto al riferimento, posso considerarla o in anticipo o in posticipo, la somma delle due però è 360, quindi è lo stesso modo di descrivere le due.

• Slide phase shift

  

Si hanno problemi con la fase quando questa rimbalza con qualcosa e va a interferire con sé stesso.

Classificazione zone di segnale (3) 🟨+

Andiamo a definire una signal detection limit, ossia il punto da cui dopo non e piu detectabile il segnale, e quindi non comprendo più cosa mi viene comunicato.

Su quanto definito sopra potremmo definire 3 zone correlata alla distanza fra il sender e il ricevente:

• Slide zone di propagazione segnale

  

La capacità del ricevente influenza in quale zona stai (come se avessi l’orecchio più fine o meno!)

1. Trasmission range quando riesco a comprendere un un errore bitrate molto basso
2. Detection range non si riesce a capire cosa viene trasmesso, ma si nota che si trasmette qualcosa
3. Interference range quando i segnali potrebbero anche non essere rivelati perché troppo deboli

A volte se ho molte sources, un buon metodo potrebbe essere mettere un filtro che filtri un certo tipo di canale, se ascolto sto ascoltanto un certo misto di segnale. (una cosa carina è che la radiazione di fondo si mischia con questi 😛)

Problemi della rete wireless (3) 🟨-

1. intensità del segnale che decade in fretta
2. intereferenza con stessa frequenza da sorgenti diversi
3. Interferenza con sé stesso (se percorre distanze diverse, rimbalzando da qui e la, e giunte sfasato! O passare ostacoli?)

Ostacoli(3)

1. Dietro l’ostacolo faccio fatica ad avere segnale
2. L’ostacolo fa rimbalzare l’onda radio
3. Il materiale influenza fortemente questo comportamento dell’onda (anche rifrazione!)

• Slide ostacoli assorbono

  

• Slide influenze ostacoli

  

In generale se l’onda è a bassa frequenza, passa l’ostacolo, se è alta è molto facile che si blocchi.

Quindi abbiamo un tradeoff di questo tipo:

1. Onda bassa frequenza, va lontano, ma contiene poche informazioni al secondo
2. Onda alta frequenza non va lontano, ma tante informazioni! (motivo per cui la cella 5g deve essere per forza piccola)

E ci sono alcuni fenomeni come terminale nascosto o fading, sempre per caratteristiche di ostacoli e evanescenza del segnale che interferiscono fra di loro.

PUNTI CIECHI DELLE ANTENNE (1)

Se posiziono l’antenno in un certo modo, questa non riesce proprio a leggere le onde radio in una certa posizione (a causa della polarizzazione)

• Slide punti ciechi (polarizzazione)

  

Se sto allo stesso orientamento dell’antenna, riesco a leggere tutto bene le informazioni delle antenne, mentre invece se sto ortogonale non potrei vedere niente. Questa è anche chiamata polarizzazione dell’onda.

• Slide polarizzazione (con esempio di foro per intuito)

  

La soluzione a questo problema è utilizzare più antenne di diverse orientazioni. Quindi comunque riesco a prendere qualcosa (se lo metto in modo ortogonale, a L, riesco a ricavare il segnale iniziale sempre).

NOTA: indoor ho i muri che rimbalzano, quindi alla fine comunque mi arriva di direzione giusta, e non ho un problema di sensibilità tale.

NOTA2: i satelliti sono fighi, non hanno nessun ostacolo per comunciazione onde radio, forse le nuvole sono il più grande problema, che riescono ad assorbire e riflettere anche qui le onde radio.

Effetti sull’uomo (non fare) 🟩

300 MHz and 300 GHz sono il range delle microonde, quando il cellulare emette certe onde di quella requenza, allora è proprio questo! Solamente di intensità molto minore. (sono milliwatt contro centinaia di watt), quindi un pò comunque scalda! E attraversa comunque un pò la materia, e scalda l’acqua a questa frequenza.

https://www.fda.gov/radiation-emitting-products/cell-phones/do-cell-phones-pose-health-hazard

approfondimento carino: vedere come funziona la risonanza, e se questo è il fenomeno che fa scaldare l’acqua.

• Slide effetti sull’uomo

  

Come fanno le onde radio ad arrivare alle auto? Se la cabbia di faraday proprio va a schermare il tutto? Evade molto poco, e quello è quello che va nell’access point.

La trasmissione del segnale

Guadagno del segnale (2) 🟩

Si dice guadagno del segnale quando incremento la potenza del segnale, in un certo rapporto in confronto a quanto trasmesso. Si misura in DECIBEL.

1. guadagno attivo questo è quello che vanno a fare gli amplificatori, che hanno bisogno di energia dall’esternom prende le onde in input e utilizza l’energia per rigenerare il segnale, sono quello che fanno i repeaters.
2. guadagno passivo quando non ho bisogno di energia all’esterno. Per esempio è così che funzionano i dischi delle parabole, che riescono a prendere molto segnale, e concentrarla in un unico punto.

Perdita di segnale 🟩-

1. Intenzionale questa è utile per gestire l’energia (e.g. far passare 6 ampere in un circuitino sarebbe troppo, quindi trasformo in calore prima di far entrare nel circuito) (oppur esempio un connettore, che riflette in parte e fa passare con intensità minore, e questo è proprio misurabile id dB)
2. ostacoli come acqua. perdita del segnale ‘non voluta’, dovuta ad ostacoli, ad esempio in caso di nebbia, che rappresenta un ostacolo per le microonde che scaldando le particelle d’acqua di cui è composta la nebbia, facendo ridurre l’energia del segnale (e quindi l’ampiezza), riducendo la distanza che può percorrere il segnale.

• Slide tipologie di effetti di ostacoli

  

Multipath propagation (2) 🟨—

Il segnale può giungere da molte direzioni, e il segnale ricevuto può essere in una fomra strana (phase shifted, tre echi meno energetici, parzialmente sovrapposti.

Gli effetti principali della multi path sono:

• I segnali possono arrivare in momenti diversi e fare interferenza con sé stesso
• I segnali possono arrivare phase shiftati.

Effects of mobility (non fare?) 🟥

Ci sono proprio delle zone in cui il segnale è migliore e altre in cui non va per il wifi, in cui cambiano subito questa parte di segnale

• Slide mobilità

  

L’effetto principale è la variabilità del segnale quando ci muoviamo, possiamo avere alti e bassi e continuamente ci connettiamo a ripetitori diversi (questo è anche un modo per ricostruire il tuo percorso, a seconda di quale dispositivo ti sei connesso vicino).

Cambiano anche distanza dal destinatario e dagli obstacoli.

Voltage Standing Wave Ratio 🟨+

È proprio necessario utilizzare la stessa impedenza! Altrimenti diventa molto inefficiente,

VSWR è una perdita del segnale quando l’impedenza della sorgente e del ricevente sono diversi fra di loro. C’è un effetto resistivo quando le correnti si spotano in questo modo, che crea calore. (corrente genera Se il valore di impedenza è diverso ho:

1. Irregolarità (anche ritorno di energia), perdita di energia.
2. bruciare delle componenti.

Calcolato come rapporto delle impedenze del trasmettitore e ricevente.

Intentional radiator e regulations 🟩-

Intentional radiator è il trasmittitore più cavi e connettori con l’antenna

Intentional radiator Power output: quanità di energia data all’antenna dall’intero componente dietro l’antenna, quindi cavi connettori e il generatore (i cavi fanno perdere un pò di energia, in questo senso l’antenna non riceve l’energia del trasmettitore come da sorgente, ma quella decaduta dalla corrente.

Su questo IR Poutput si mettono le regulations, ossia massimo energia a livello antenna, ma si potrebbe fare che l’energia che riceve siano dentro i limiti, ma utilizzo una antenna in modo da focalizzare il raggio, rendendolo molto più denso.

Per questo motivo bisognerebbe mettere il la regolazione non sul power output, che si può concentrare, ma sul EIRP (Equivalent isotropically radiated power), ossia la potenza radio irradiata dall’antenna con anche gli effetti passivi (ossia concentrati diciamo), una volta che sono al massimo dell Power output.

Misura della potenza

Il WATT 🟩

Quelli che ci interessano sono soprattuto i watt, che sono una misura della potenza, la quantità di lavoro fatto al secondo.

In pratica è una misura di

energy needed (in a given time unit) to apply a given “pressure” to a given “amount of charge”, by resulting in a flow of current.

Le formule classiche sono le leggi di OHM che qui però saltiamo.

• Slide misura della potenza

  

I decibels 🟩

Spesso andare a ragionare in watt è molto scomodo, perché la potenza cade in modo logaritmico (non era quadratico??) dato che è logaritmico meglio utilizzare i decibels

Decibel (dB) measures the logarithmic relative strength between two signals (mW are a linear absolute measure a energy)

NOTA: è molto importante il fatto che i decibels siano relativi!

• Slide sui decibels

  

Calcolo dei decibels

$$ dB = 10 \times \log_{10}(\dfrac{W_{Receiver}}{W_{Sender}}) $$

Formula inversa:

$$ W_{receiver} = W_{sender}\exp(dB \log(10)/ 10) $$

• Esempi di calcolo

  

Il vantaggio principale è che invece a stare modificare moltiplicazioni e divisioni, sto utilizzando somme e sottrazioni che creano numeri molto più gestibili, (questo è sempre isomorfismo prodotto e somma in un certo gruppo credo).

Una cosa carina è che tipo 3 decibels è moltiplicare o dividere per 2.

Normalized decibels dBm 🟩

Praticamente diciamo che $1 mW = 1dBm$

$$ P_{dBm} = 10 \log(P_{mW}) \\ P_{mW} = \exp(P_{dBm} / 10) $$

Con qualche costante messa bene per i logs.

• Scala decibels milliwatt

  

Isotropic decibels dBi 🟩

I decibels isotropici misurano il guadagno passivo dato dall’architettura dell’antenna confrontandolo con il caso ideale di un antenna isotropica, con efficienza 100%, equiparabile a un dipolo di lunghezza nulla.

• Slides isotropic decibels

  

dB-dipole 🟩

Questo è solamente un dipole translato di 2.14 se mi ricordo bene, solamente il compare di una antenna dipolo con una isotropica i suppose, quindi non molto di differenza.