Base científica de la comunicación inalámbrica
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La comunicación inalámbrica por radiofrecuencia es la base sobre la que se asientan multitud de tecnologías de nuestro tiempo como las redes móviles, redes WIFI, enlaces punto a punto, conexiones a Internet…
El camino recorrido desde que Samuel Morse ideara el telégrafo es sorprendente y difícilmente podríamos haberlo imaginado.
En este artículo nos acercaremos a su base científica, tomando como referencia los radioenlaces punto a punto, para conocer de una forma muy aproximada, los principios sobre los que se sustenta esta forma de comunicación tan habitual hoy en día.
Las ondas de radio y su velocidad
Como ya vimos en nuestro artículo ¿Qué es una conexión a Internet por radioenlace?, los radioenlaces se comunican mediante ondas de radio, un tipo de radiación electromagnética exactamente igual que la luz visible, pero con mayor longitud de onda.
Tanto la luz como las ondas de radio viajan por el espacio libre, sin atravesar un medio material, a una velocidad que seguro te suena: 300.000 Km por segundo, la velocidad de la luz. Si lo hacen por el aire, la velocidad es un poco menor, pero sigue siendo altísima. Gracias a esta cualidad, su uso como medio de transmisión es increíblemente eficaz, pues pueden recorrer grandes distancias de forma casi instantánea.
Muy bien, sabemos lo rápidas que son las ondas de radio, pero, ¿cómo viajan por ese espacio, qué trayectoria siguen?
Propagación y frecuencia
Las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio en una dirección de avance en línea recta, con un movimiento oscilatorio, debido a la variación continua del campo eléctrico y magnético. Esta variación sigue un patrón periódico y repetitivo, es decir, sigue una frecuencia:
Representación gráfica de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias
En la tierra, las ondas de radio emitidas por una antena no se propagan estrictamente en línea recta, al contrario, debido a nuestra atmósfera, están sujetas a muchos fenómenos que inciden en su trayectoria: absorción, atenuación, difracción, interferencia, refracción y reflexión.
Si nos atenemos a las frecuencias que usan los radioenlaces punto a punto, nos ubicamos en el rango 300 MHz a 30 GHz (UHF y SHF). En estas bandas de frecuencias, llamadas de forma general microondas, la propagación se denomina por onda espacial y se caracteriza porque las ondas emitidas entre antenas viajan por la troposfera (la parte baja de la atmósfera) de 2 modos:
- en línea recta, en una transmisión llamada de línea vista o LOS (de Line Of Sight)
- en un reflejo o rebote contra el suelo, obstáculos o fenómenos atmosféricos
NOTA: estas trayectorias en realidad son una simplificación, en futuros artículos veremos con mayor profundidad cómo se propaga una onda electromagnética.
Perfecto, tenemos un medio muy rápido de comunicación y que encima podemos aprovechar en la tierra, oye, ¿qué pasa si hay obstáculos?
Longitud de onda, comportamiento y capacidad
Además de la frecuencia, una señal electromagnética también tiene como característica su longitud de onda, representada con la letra griega Lambda λ, y que mide la distancia que recorre la onda emitida en el tiempo que dura una oscilación:
La longitud de onda está estrechamente relacionada con la frecuencia y velocidad de la señal, por la fórmula:
- Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la longitud de onda.
- Cuanto mayor sea la velocidad, mayor será la longitud de onda.
Como hemos comentado al principio, la velocidad de las ondas en el aire es cercana a la luz y constante, por tanto frecuencia y longitud de onda son inversamente proporcionales.
¿Y en qué nos afecta la longitud de onda cuando emitimos con un radioenlace? Pues es importante porque modifica el comportamiento y capacidad de la señal:
- A mayor longitud de onda, mayor alcance y mejor atravesará o rodeará obstáculos
- A menor longitud de onda, transportará mayor cantidad de datos
Genial, seleccionando una longitud de onda podemos llegar más lejos, atravesar incluso obstáculos o transmitir muchos más datos. Y ¿cómo hacemos para emitir estas ondas?
Antenas de los radioenlaces
Las llamamos así pero en realidad son transductores, dispositivos que toman energía de una forma y la transforman en otra. Las antenas emisoras recogen señales eléctricas y las transformas en ondas electromagnéticas que se envían por el espacio (aire). Las antenas receptoras toman estas ondas y las vuelven a convertir en señales eléctricas.
En las frecuencias de las microondas es sencillo construir antenas muy direccionales. Cuanto más direccional es una antena, más capaz es de irradiar potencia en un haz delgado. Cuanto menor abertura del haz posea, mayor ganancia y mejor minimizará los efectos de interferencia de fuentes externas y antenas adyacentes. Sin embargo, esto impone limitaciones, como la estabilidad mecánica, que debe ser muy elevada, y el desvanecimiento, que puede causar problemas de alineamiento.
Existen multitud de tipos dependiendo de la disposición de elementos y paneles, siendo la antena parabólica la más adecuada para conexiones punto a punto. Su excelente direccionalidad es debido a su diseño, que concentra toda la potencia que llega a la antena y la enfoca en una sola dirección, siendo capaz de proveer muy alta ganancia.
¿Pues ya lo tenemos todo no? Conecto el cable del ordenador al sistema y listo ¿no? Pues no, aún falta algo, los ordenadores hablan en digital, y esto de las ondas es analógico…
Comunicación digital
El sistema de comunicación vía radio es claramente analógico, puesto que su señal es electromagnética como hemos visto al principio del artículo. Son ondas continuas con una determinada amplitud, frecuencia, etc.
Nuestros sistemas de información sin embargo, son digitales. Ordenadores, servidores, dispositivos… que almacenan la información con valores discretos: los unos y ceros del sistema binario.
Seguro que ya te estarás preguntando ¿cómo es posible utilizar el sistema de comunicación por radiofrecuencia para transferir información digital?
La respuesta está en la modulación digital, que no es más que un conjunto de técnicas para transmitir información digital usando un medio analógico como la radiofrecuencia.
Técnicas de modulación digital hay muchas, las cuatro más básicas son:
- Modulación por variación de amplitud (ASK)
- Modulación por variación de frecuencia (FSK)
- Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
- Modulación por amplitud de cuadratura (QAM)
Todos estos nombres de Star Trek en realidad hacen una sencilla función: modificar aspectos de la señal de radio para que podamos diferenciar 2 valores claramente y podamos representar el cero y el uno binarios.
Por ejemplo, la modulación FSK lo que hace es variar la frecuencia de la señal. Tendremos una frecuencia X que representará el valor «uno» y una frecuencia Y que representará el valor «cero». Lo rápido que cambiemos esta frecuencia será el bit-rate, que seguro te suena. De aquí salen los bps o bits por segundo que podemos transmitir.
Ya tenemos el sistema completo. Podemos transferir nuestra información digital por medio de radiofrecuencia.
Nos hemos acercado de forma muy muy lejana a todo lo que hay detrás de una transmisión por radiofrecuencia.
En próximos artículos explicaremos más detalles y conceptos de la comunicación inalámbrica, para ir conociendo las técnicas y tecnologías que usan los radioenlaces actuales.
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Referencias:
- Electronic Communications Systems – Wayne Tomasi
- Radioenlaces digitales – José Manuel Albornoz Martos
