Tweet
NỀN TẢNG VỀ SÓNG VÔ TUYẾN
Để hiểu rõ cách mạng máy tính hoạt động, trước tiên chúng ta cần nắm được nguyên lý cơ bản: dữ liệu được chuyển thành dòng điện và truyền đi qua dây cáp như thế nào.Mạng có dây là tín hiệu luôn đi theo một đường dẫn cố định nghĩa là ta có thể nhìn thấy dây cáp, cầm nắm, lần theo nó để biết nó nối từ đâu đến đâu. Tuy nhiên, mạng không dây lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Nó không dựa vào một môi trường truyền dẫn hữu hình như dây cáp. Dù chúng ta hay nói tín hiệu được truyền “qua không khí”, thực tế là sóng vô tuyến không cần không khí để lan truyền. Sóng vô tuyến là dạng năng lượng điện từ giống như ánh sáng và có thể di chuyển trong môi trường chân không, không cần bất kỳ vật chất nào làm trung gian.
Điều này dẫn đến một điểm rất quan trọng: tất cả các thiết bị dùng mạng không dây đều đang chia sẻ cùng một không gian truyền tín hiệu, không khác gì việc nhiều người cùng nói chuyện trong một căn phòng mà không có tường ngăn. Chính vì thế, việc hiểu rõ sóng vô tuyến là gì và chúng lan truyền như thế nào là nền tảng để nắm được cách mạng không dây hoạt động.
1. NỀN TẢNG VỀ SÓNG VÔ TUYẾN
Sóng vô tuyến khó hình dung hơn mạng có dây vì chúng là năng lượng vô hình truyền qua không gian mà không cần vật chất dẫn truyền. Để dễ hiểu, người ta thường so sánh chúng với sóng nước hoặc sóng âm – vốn lan truyền nhờ sự va chạm giữa các hạt vật chất (phân tử nước hoặc không khí).
Tuy nhiên, sóng vô tuyến khác biệt ở chỗ: chúng là sóng điện từ, không cần môi trường vật chất để truyền. Giống như ánh sáng, chúng được tạo thành từ photon, nhưng có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn. Nhờ đó, sóng vô tuyến có thể lan truyền trong chân không. Chính sự khác biệt này khiến việc truyền và quản lý tín hiệu trong mạng không dây phức tạp hơn so với mạng có dây.
Khi nói đến sóng radio, việc hình dung phương tiện truyền dẫn và hướng truyền tín hiệu trở nên khó khăn hơn so với mạng có dây bởi vì đây là năng lượng vô hình di chuyển qua không gian trống mà không cần bất kỳ vật chất nào để dẫn truyền. Để dễ hiểu hơn, nhiều người thường so sánh sóng vô tuyến với sóng nước hoặc sóng âm thanh. Sóng nước là chuyển động của các phân tử nước va đập vào nhau, còn sóng âm là sự rung động của các phân tử không khí truyền đi trong không gian. Những hình ảnh quen thuộc này giúp ta hình dung phần nào cách một tín hiệu có thể lan truyền dưới dạng sóng.
Khi so sánh như vậy, có nhiều người sẽ đặt ra câu hỏi: Sóng vô tuyến được tạo thành từ gì?
Trong các ví dụ như sóng âm hay sóng nước, sóng là kết quả của việc các hạt vật chất (phân tử không khí hoặc nước) va chạm vào nhau để tạo ra chuyển động dạng sóng. Thậm chí, ánh sáng mà mắt người có thể nhìn thấy cũng là sóng điện từ, được tạo thành từ các hạt hạ nguyên tử gọi là photon, dao động ở một tần số xác định.
Tuy nhiên, sóng vô tuyến có sự khác biệt rất lớn đó là không cần môi trường vật chất để truyền dẫn. Chúng là một dạng năng lượng điện từ cũng giống như ánh sáng, nhưng có bước sóng dài hơn và tần số thấp hơn và có thể lan truyền trong chân không. Chúng không cần “các hạt” như không khí hay nước để truyền động. Điều này làm cho sóng vô tuyến trở thành một hiện tượng đặc biệt trong tự nhiên, và cũng là lý do tại sao việc quản lý tín hiệu trong mạng không dây đòi hỏi cách tiếp cận khác so với mạng có dây.
2. TẦN SỐ VÀ BIÊN ĐỘ
Photon là những hạt mang tất cả các dạng năng lượng điện từ, từ sóng vi ba đến ánh sáng nhìn thấy và tia X. Sóng radio cũng sử dụng năng lượng điện từ, nhưng sóng radio có bản chất khác biệt cơ bản so với sóng trên đại dương hay sóng ánh sáng. Một sóng radio có hai thành phần chính: tần số hoặc bước sóng và biên độ, thường được biểu diễn trên một đồ thị như trong hình trên:
• Tần số (frequency) mô tả số lần sóng dao động trong một đơn vị thời gian, hay nói cách khác là mức độ thay đổi năng lượng điện từ trong mỗi chu kỳ.
• Biên độ (amplitude) thể hiện độ mạnh của tín hiệu, hay mức năng lượng mà sóng truyền tải tại mỗi điểm.
Khi nhìn vào hình trên, ta có thể hình dung sóng radio giống như một sợi dây đàn hồi nối từ anten và rung lên xuống trong không gian theo dạng sóng, rồi lan truyền đến thiết bị thu ở khoảng cách xa. Dù hình ảnh này nghe có vẻ vui nhộn, nhưng thực ra nó cũng là một cách trực quan tương đối hợp lý để hiểu hiện tượng sóng điện từ lan truyền trong không gian như thế nào.
2.1. TẦN SỐ
Tần số được đo bằng đơn vị Hertz (Hz), trước đây gọi là chu kỳ trên giây (cycles per second - cps). Để dễ hình dung, bạn có thể tưởng tượng sóng radio như những dòng photon - là các hạt năng lượng điện từ - được phát ra từ anten và lan truyền ra không gian với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (hướng phát phụ thuộc vào thiết kế anten).
Photon là những hạt mang năng lượng điện từ, vì vậy bạn có thể xem chúng như là năng lượng thuần túy. Mỗi lần anten phát ra một nhóm photon, ta coi đó là một sóng đơn. Tần số chính là số lượng sóng (hay nhóm photon) được phát ra trong mỗi giây. Trong khi đó, biên độ là số lượng photon có trong mỗi sóng - hay nói cách khác, biên độ biểu thị mức năng lượng của sóng.
Cách hình dung này giúp ta hiểu rõ hơn bản chất vật lý của sóng điện từ: tần số thể hiện mức độ “nhanh” của sóng, còn biên độ thể hiện mức độ “mạnh” của sóng. Đây là những khái niệm cốt lõi trong việc truyền tín hiệu không dây.
2.2. BIÊN ĐỘ
Biên độ của một tín hiệu radio cho biết mức năng lượng mà sóng mang theo tại một điểm trong không gian. Nó phản ánh cường độ tín hiệu, và cường độ này tỷ lệ thuận với số lượng photon – các hạt năng lượng điện từ – đang di chuyển qua không gian.
Khi sóng radio lan truyền ra xa khỏi nguồn phát, biên độ sẽ giảm dần theo khoảng cách. Điều này cũng giống như việc bạn đứng gần một ngọn đèn thì thấy sáng rõ, còn càng đi xa thì ánh sáng càng yếu. Một thiết bị thu tín hiệu đặt gần anten phát sẽ nhận được nhiều photon hơn (nghĩa là tín hiệu mạnh hơn), còn nếu cách xa hàng chục km thì tín hiệu sẽ yếu hơn rõ rệt.
Bạn có thể tưởng tượng sóng radio giống như một ngọn đèn hiệu nhấp nháy trên đỉnh tháp cao. Nếu đèn nhấp nháy một lần mỗi giây, tức là nó phát tín hiệu với tần số 1 Hz. Còn độ sáng của đèn chính là biên độ. Trong ví dụ này, bạn có thể xem đèn hiệu như một trạm phát radio đang phát sóng ở một tần số cố định.
Thật ra, bản chất sóng radio không phức tạp – điều làm mọi thứ trở nên phức tạp chính là khi chúng ta dùng sóng này để truyền dữ liệu. Trước khi tìm hiểu sâu hơn, hãy cùng làm rõ khái niệm tần số qua một ví dụ sinh động:
Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn một đèn hiệu từ xa, qua lớp sương mù dày đặc vào ban đêm. Vì sương quá dày, bạn không thấy rõ bóng đèn hay tháp, chỉ thấy những lần nhấp nháy mờ nhạt.
Lúc đầu, đèn nhấp nháy một lần mỗi giây (1 Hz). Đột nhiên, bạn thấy số lần nhấp nháy tăng lên 2 lần mỗi giây (2 Hz). Chuyện gì đang xảy ra?
Có một số khả năng:
1. Đèn hiệu ban đầu tăng tần số lên 2 Hz.
2. Một đèn hiệu khác (gọi là “đèn cướp”) vừa mới xuất hiện và cũng nhấp nháy ở 1 Hz – tạo ra nhiễu tín hiệu.
3. Đèn “cướp” nhấp nháy ở 2 Hz, làm bạn nhầm tưởng rằng đèn ban đầu đã thay đổi.
4. Hoặc cả hai đèn nhấp nháy đồng bộ ở 2 Hz, khiến bạn không thể phân biệt đâu là tín hiệu gốc.
Tình huống này tương tự với nhiễu tần số trong sóng radio. Nếu hai trạm phát hoạt động trên cùng tần số hoặc gần nhau, và không có sự phân cách rõ ràng về khoảng cách hoặc quyền phát, bạn sẽ gặp hiện tượng nhiễu sóng, gây sai lệch hoặc mất dữ liệu.
Vì vậy, để tránh nhiễu, các quy định về phổ tần số bắt buộc mỗi trạm phát phải dùng tần số riêng, trừ khi chúng cách nhau đủ xa để không gây can nhiễu lẫn nhau.