Connaissance de base de la communication sans fil : Mécanisme sans fil (1)

Note : Cet article tente de donner une explication générale de la communication sans fil. Par conséquent, nous n'avons pas expliqué complètement certains domaines et nous en avons laissé d'autres de côté. Nous prévoyons de couvrir ces domaines petit à petit à l'avenir.

1. Qu'est-ce que la communication sans fil ?

En termes simples, la communication sans fil est une télécommunication sans fil qui utilise des ondes électromagnétiques (ondes radio), des champs magnétiques et des champs électriques, tandis que la communication optique utilise la lumière sans utiliser de fils ou de câbles. Parmi les différentes méthodes de communication sans fil, la télécommunication utilisant les ondes radio permet de communiquer sur de longues distances, de l'ordre de plusieurs kilomètres ou plus, et de transmettre un grand nombre de données (informations^)*1. Les ondes radio sont donc utilisées dans la plupart des systèmes de communication sans fil. Dans cette série, nous nous concentrerons principalement sur les ondes radio.

Les systèmes de communication sans fil qui utilisent les ondes radio sont configurés pour utiliser l'espace comme voie de transmission (ou canal de communication) et pour envoyer des données par ondes radio sous forme de ^signaux*1 des émetteurs aux récepteurs (Fig. 1).

*1 : Les termes "données", "informations" et "signaux" sont considérés ici comme suit.
・Données : Un ensemble de symboles et de codes qui représentent des faits
・Information : Données comprenant du son, du texte et des images qui peuvent être interprétées par l'homme et utilisées, par exemple, pour déterminer des choses et prendre des mesures.
・Signaux : Données ou informations transmises dans le temps par des voies de transmission (canaux de communication) telles que l'espace ou les câbles.
Par commodité, nous ne faisons plus de distinction entre "informations" et "données". Sauf indication contraire, nous utilisons l'expression "données".

2. Exemples d'applications de communication sans fil

Le tableau 1 résume les catégories approximatives de communication sans fil qui transmettent des données à l'aide d'ondes radio et les applications typiques de chaque catégorie. La communication sans fil est utilisée dans différents domaines. Les applications et les types de communication sans fil sont également très variés.
Il convient de noter que, ces dernières années, la communication sans fil s'est également développée au-delà des limites de ces catégories. Par exemple, plusieurs pays ont lancé des services de communication mobile par satellite qui intègrent la communication par satellite dans la communication mobile (smartphones équipés d'une fonction de connexion aux satellites).

3. Configuration de base et éléments des systèmes de communication sans fil

Le modèle de configuration de base des systèmes de communication sans fil (et des systèmes de communication câblés) est présenté à la figure 2. Ses éléments constitutifs sont décrits dans le tableau 2. La figure 1 de la section "1. Qu'est-ce que la communication sans fil ?" est une illustration encore plus simplifiée de ce modèle de base.
Nous appelons "signal" les données transmises par une voie de transmission. Nous appelons "bruit" les éléments inutiles qui affectent négativement ces signaux et rendent difficile la transmission des données que nous voulons envoyer au destinataire. Dans la pratique, le bruit peut se produire à la fois dans les émetteurs et les récepteurs et causer des interférences avec le fonctionnement des appareils et d'autres problèmes. En d'autres termes, nous pouvons qualifier de système de communication idéal un système de communication qui n'est absolument pas affecté par ce bruit.

4. Méthode de communication sans fil : Modulation et démodulation

La figure 3 montre une configuration qui décrit la modulation et la démodulation, qui sont les fonctions de base d'un système de communication sans fil. Elle est basée sur le modèle de base du système de communication de la figure 2.
Si vous essayez de transmettre directement des données sous forme d'ondes radio, vous ne pourrez pas les envoyer sur de longues distances. Pour cette raison, entre autres, la communication sans fil nécessite une opération appelée "modulation" qui convertit les données en signaux pratiques dans l'émetteur afin de permettre la transmission de données sur de longues distances. D'autre part, une opération appelée "démodulation", qui ramène les signaux modulés aux données d'origine, est nécessaire dans le récepteur.
Le tableau 3 résume les technologies de modulation typiques et des exemples d'adoption. De nombreux termes ne sont pas familiers en général. Cependant, nous aimerions que vous considériez ces technologies de modulation comme celles qui soutiennent une partie de l'infrastructure de notre mode de vie actuel, comme les téléphones mobiles et les émissions de radio et de télévision. Nous prévoyons d'expliquer les détails sur une page séparée à une date ultérieure.

Colonne : Les ondes radio et leurs fréquences

Les ondes radio sont une forme d'énergie comme le mouvement et la chaleur. Elles sont également appelées ondes électromagnétiques. Les ondes radio sont définies comme des ondes électromagnétiques d'une fréquence inférieure ou égale à 3 000 GHz dans la loi japonaise sur les radiocommunications et dans le règlement des radiocommunications annexé à la Convention internationale des télécommunications (nous expliquerons plus loin comment calculer la fréquence). (Nous expliquerons plus loin comment calculer la fréquence).
Ces ondes radio sont émises par des appareils sans fil. Cependant, il n'est pas facile de les visualiser. C'est pourquoi nous avons expliqué l'apparition et la transmission des ondes radio à partir du phénomène qui se produit lorsque l'on fait passer un courant alternatif sinusoïdal dans une tige conductrice telle que le métal, afin d'en faciliter l'illustration.

La figure 4 montre comment les ondes radio se déplacent à cette époque. En fait, les ondes radio s'étendent en trois dimensions. Cependant, nous nous concentrons ici sur les ondes radio qui se propagent lorsque le conducteur est orienté verticalement, afin de montrer comment elles sont transmises. Le champ électrique*2 ^et le champ ^{magnétique*2} sont maintenus à angle droit (orthogonalement) l'un par rapport à l'autre. Les variations du champ magnétique créent un champ électrique. Les variations du champ électrique créent ensuite un champ magnétique. La répétition de ce processus permet de transmettre les ondes radio sous forme de vibrations sinusoïdales. Nous présentons ci-dessous les principales propriétés des ondes radio.

[1] Les ondes radio sont des ondes transversales. L'amplitude (force) du champ électrique et du champ magnétique change perpendiculairement à la direction de déplacement, et le champ électrique et le champ magnétique transmettent alors également les ondes radio perpendiculairement l'un à l'autre[2].
[2] La vitesse de transmission des ondes radio est la même que celle de la lumière.
[3] Les ondes radio n'ont pas de support de transmission. (L'air vibre et est transmis sous forme d'ondes. Nous ressentons ensuite le son lorsque ces ondes pénètrent dans nos oreilles. L'air est alors considéré comme le support de transmission).

Les propriétés de [3] sont très éloignées de nos sens quotidiens. Néanmoins, on pense que les ondes radio, ou ondes électromagnétiques, qui sont transmises même dans un vide tel que celui de l'espace extra-atmosphérique, se propagent tandis que les champs électriques (espace où agissent les forces électriques) et les champs magnétiques (espace où agissent les forces magnétiques) vibrent.

Au début de cette chronique, nous avons indiqué que les ondes radio sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence est inférieure ou égale à 3 000 GHz. Nous pouvons calculer cette fréquence (f) [Hz] à l'aide de la formule f = c/λ en supposant la longueur d'onde radio (m) de la figure 4 et la vitesse de la lumière c (3 × ^108m/s). Les ondes électromagnétiques sont classées en plusieurs types en fonction de leur fréquence et de leur longueur d'onde (Fig. 5).

*2 : Champ électrique et champ magnétique : Un champ électrique désigne un espace où agit une force électrique. Un champ magnétique désigne un espace où agit une force magnétique. La figure 6 est une image qui indique par des lignes fléchées l'étendue du champ électrique généré par l'application d'une tension et l'étendue du champ magnétique généré autour de l'aimant.

[Informations complémentaires avancées]
Dans les explications des ondes radio pour les débutants, on voit souvent une image de la transmission des ondes radio qui combine simplement les phénomènes de variation du champ magnétique créant un champ électrique et de variation du champ électrique créant un champ magnétique (Fig. 7). Si vous voulez étudier sérieusement les ondes radio, par exemple en relation avec les antennes, au lieu d'une telle image, il est important d'avoir une image des vecteurs qui représentent l'intensité des champs électriques et magnétiques avec des flèches dans la Fig. 4 - le vecteur du champ électrique*3 ^et le vecteur du champ ^{magnétique*3}. (L'image de la figure 4 est dérivée des ^équations de Maxwell*4.) Selon cette image, les ondes radio utilisées dans la radiodiffusion par satellite, par exemple, sont expliquées comme des ondes radio à polarisation circulaire qui se déplacent en spirale tandis que le vecteur de champ magnétique de la figure 4 tourne vers la gauche ou vers la droite.

*3 : Vecteur de champ électrique et vecteur de champ magnétique :
Ces deux vecteurs sont des vecteurs qui représentent la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre et la vitesse de rotation (ils sont également appelés "vecteurs de rotation" dans ce sens). (Cela ne signifie pas qu'ils indiquent la direction dans laquelle un objet ou quelque chose d'autre se déplace, comme c'est le cas pour un vecteur vitesse.

*4 : équations de Maxwell : Il s'agit des équations de base relatives aux champs électromagnétiques qui expriment toutes les relations entre l'électricité et le magnétisme. La loi de Coulomb, que les débutants en électromagnétisme apprennent, peut également être dérivée de ces équations.

Produits apparentés

Modules de connectivité

Module frontal

Articles connexes

• La bande de fréquences FR3, pionnière d'une nouvelle ère de communications 6G
• Détection à l'aide de la communication LF pour améliorer la sécurité des déplacements des robots mobiles autonomes (AMR)
• Utilisation des AUV (drones sous-marins) et technologie de communication sous-marine