Aspectos básicos de la tecnología inalámbrica: cómo funcionan las ondas de radio

Aspectos básicos de la tecnología inalámbrica: cómo funcionan las ondas de radio

¿Puedes contar cuántos dispositivos utilizas cada día gracias a las ondas de radio? Puede ser un poco abrumador pensar en el impacto que tiene en nuestras vidas la utilización de esta tecnología. Desde los teléfonos inteligentes hasta los ordenadores portátiles, pasando por los GPS y los monitores para bebés, hemos llegado a aprovechar esta forma de energía electromagnética para crear cosas increíbles. Pero aunque usamos estos dispositivos todos los días, ¿entendemos realmente cómo funcionan?

Ahí es donde nuestra serie de Fundamentos de la Electrónica Inalámbrica le ayudará a entender los fundamentos de nuestro mundo inalámbrico y, con suerte, a disipar algunos misterios por el camino.

El amplio mundo de la tecnología inalámbrica

Antes de sumergirnos en la ciencia que rodea a las ondas de radio, tenemos que hacer justicia a este tema mostrando hasta qué punto las ondas de radio han afectado a nuestra vida cotidiana. Empecemos con un día normal, en el que quizás te despiertes con el sonido no tan relajante de un despertador gracias a tu smartphone. Puede agradecer a las ondas de radio la sacudida matutina.

Mientras te sientas a desayunar por la mañana, quizá enciendas la radio o la televisión para escuchar lo que ocurre en el mundo. ¿Cómo le llegan estos trozos de información de audio y vídeo? Con las ondas de radio, una vez más. Y cuando te preparas para ir al trabajo, tal vez te guste comprobar el tráfico y planificar la ruta más eficiente, así que utilizas el GPS del salpicadero de tu coche. Más ondas de radio.

Durante su viaje matutino al trabajo, puede que le guste sintonizar su programa matutino favorito. La emisora de radio a la que te conectas es una de las muchas frecuencias de ondas de radio específicas que se transmiten a todas las horas del día. Al llegar al trabajo, tal vez te pongas delante de un ordenador y te conectes a la red mundial, sin cables. Cargas tus documentos de Google, páginas web y correo electrónico, todo ello utilizando ondas de radio para conectarte de forma inalámbrica a Internet a través de WiFi.

Ves, las ondas de radio se utilizan en muchas más cosas que las cajas cuadradas que utilizamos para reproducir música y escuchar programas de entrevistas. La comunicación inalámbrica moderna se basa en un diseño sencillo dentro de la radio convencional, lo que nos permite conectar a la humanidad en todo el mundo con información, vídeo, audio, datos y mucho más. Pero para lo extendido que está el uso de las ondas de radio en la actualidad, ¿cómo funcionan exactamente y qué es una onda de radio? Exploremos.

Pasando el rato con el electromagnetismo

Las ondas de radio no son más que un tipo de onda en lo que se llama el espectro electromagnético, que consiste en una variedad de ondas que todas sirven para una función específica, como los infrarrojos, los rayos X, los rayos gamma y la radio. Todas estas ondas consiguen desafiar las barreras físicas, precipitándose a través del vacío del espacio a la velocidad de la luz.

La organización de este espectro se clasifica por dos medidas, la frecuencia, y la longitud de onda. Así es como se desglosan:

• Frecuencia. Esto es básicamente cuántas ondas electromagnéticas pasarán por un punto determinado cada segundo. Se puede medir contando las crestas de cada onda (el punto más alto de la onda), lo que proporciona un valor en Hertz.
• Longitud de onda. Es la distancia real que se puede medir entre dos de los puntos más altos de una onda, o el período. Las longitudes de onda pueden ser más cortas que el tamaño de un átomo para algunas ondas, ¡y más largas que el diámetro de todo nuestro planeta!

En este espectro electromagnético, las ondas de radio tienen tanto las longitudes de onda más largas como las frecuencias más bajas, lo que las convierte en lentas y constantes, las corredoras de larga distancia del grupo. Sin embargo, cuando nos bombardean desde todas las direcciones con ondas de radio FM y AM, señales de telefonía móvil, señales WiFi, etc., ¿se supone que todas estas señales comparten el mismo espacio? Lo hacen compartiendo bandas específicas del espectro de ondas de radio, entre las que se encuentran:

Nombre	Abstracción	Frecuencia	Longitud de onda
Extremadamente bajafrecuencia	ELF	3-30 Hz	105-104 km
Super baja frecuencia	SLEF	30-300 Hz	104-103 km
Ultra bajafrecuencia	ULF	300-3000 Hz	103-100 km
Muy baja frecuencia	VLF	3-30 kHz	100-10 km
Bajafrecuencia	LF	30-300 kHz	10-1 km
Media frecuencia	MF	300 kHz – 3 MHz	1 km – 100 m
Altafrecuencia	HAF	3-30 MHz	100-10 m
Muy alta frecuencia	VHF	30-300 MHz	10-1 m
Ultra altafrecuencia	UHF	300 MHz – 3 GHz	1 m – 10 cm
Super altafrecuencia	SHF	3-30 GHz	10-1 cm
Extremadamente altafrecuencia	EHF	30-300 GHz	1 cm – 1 mm
Tremendamente alta frecuencia	THF	300 GHz – 3 THz	1 mm – 0.1 mm

La banda de ultra alta frecuencia (UHF) tiene una frecuencia entre 300 megahercios (MHz) y 3 gigahercios (GHz). La banda UHF se utiliza para tecnologías específicas como WiFi, Bluetooth, GPS, walkie-talkies, etc. Por otro lado, se encuentra la frecuencia muy baja (VLF) en el rango de 3 a 30 hertzios y esta banda está reservada exclusivamente para estaciones de radio gubernamentales, comunicaciones militares seguras y submarinos. Estados Unidos publica anualmente una tabla de asignación de frecuencias del espectro radioeléctrico que muestra cómo se asignan todos estos servicios de radio por frecuencia.

Comunicaciones integradas

Ahora te estarás preguntando, ¿cómo llegan exactamente esas ondas de radio en sus frecuencias particulares de un lugar a otro? La magia de poder hablar con alguien en tu smartphone al otro lado del mundo se reduce a algunos principios muy simples. Todas las radios, ya sea una radio AM/FM tradicional o una radio que se encuentra en un smartphone, utilizan el mismo método básico de transmisión de información con la ayuda de un transmisor y un receptor.

Un transmisor, como su nombre indica, transmite información a través del aire en forma de onda sinusoidal. Esta onda va volando por el aire, siendo finalmente captada por un receptor, que decodifica la información dentro de la onda sinusoidal para extraer lo que queremos, como la música, una voz humana, o algún otro bit de datos.

Lo interesante es que una onda sinusoidal por sí sola no contiene ninguno de los datos que necesitamos, es básicamente una señal vacía. Por eso tenemos que tomar esta onda sinusoidal y modularla, que es el proceso de añadir otra capa de información útil. Existen tres métodos de modulación, entre ellos:

• Modulación de pulsos. En este método, se enciende y apaga una onda sinusoidal, que enviará bits de una señal en trozos separados. ¿Has oído hablar del Código Morse para enviar señales de socorro? Utiliza la modulación por impulsos.
• Modulación de amplitud. Este método se utiliza tanto en las estaciones de radio AM como en las antiguas señales de televisión analógicas. Aquí, una onda sinusoidal se superpone con otra onda de información, como la voz de una persona. La incrustación de otra capa de información en esta onda creará una fluctuación en la amplitud de la onda sinusoidal original, que puede crear estática.

• Modulación de frecuencia. Este método lo utilizan las emisoras de radio FM y prácticamente cualquier otra tecnología inalámbrica. A diferencia de la modulación de amplitud, que crea algunas fluctuaciones significativas en una onda sinusoidal, la modulación de frecuencia cambia muy poco una onda sinusoidal, lo que tiene la ventaja añadida de producir menos estática.

Una vez que todas esas ondas sinusoidales moduladas se envían a través de un transmisor y son recibidas por un receptor, la onda de información que incrustamos se extrae, permitiéndonos hacer con ella lo que nos plazca, como reproducirla como audio a través de un altavoz, o verla como vídeo en una pantalla de televisión.

En algún lugar entre A y B

En nuestras explicaciones anteriores sobre la modulación, los transmisores y los receptores, se podría pensar que el envío de una onda de radio es un simple proceso de viaje desde el punto A al punto B, pero esto no siempre es así. Las ondas no siempre vuelan por el aire directamente desde un transmisor a un receptor, y el modo en que viajan depende, en última instancia, del tipo de frecuencia de onda que se quiera enviar y del momento en que se haga. Hay tres maneras en que este viaje puede ocurrir, incluyendo:

Línea de Vista (Onda Espacial)

Con este método de viaje, las ondas de radio se envían como un simple haz de luz desde el punto A al punto B. Este método se utilizaba comúnmente en las redes telefónicas antiguas que tenían que transmitir las llamadas a través de una larga distancia entre dos enormes torres de comunicación.

Onda terrestre (onda superficial)

También se pueden enviar ondas de radio a lo largo de la curvatura de la superficie de la tierra en forma de onda terrestre. Encontrará ondas de radio AM que viajan de esta manera para distancias cortas y medianas, por lo que puede seguir escuchando las señales de radio incluso cuando no hay un transmisor y un receptor en su línea de visión.

Ionosfera (onda del cielo)

Por último, también se pueden enviar ondas de radio directamente hacia el cielo, que acaban rebotando en la ionosfera terrestre, que es una parte de la atmósfera cargada eléctricamente. Al hacer esto, las ondas de radio chocarán con la ionosfera, rebotarán hacia la tierra y volverán a subir. Este es el proceso de reflejar una onda, haciéndola rebotar hacia su destino final.

En este punto hemos reunido varias cosas sobre las ondas de radio, a saber, que viajan a frecuencias muy específicas, que se comunican con un transmisor y un receptor, y que pueden viajar de diversas maneras a través de la tierra. Pero con todas las diferentes frecuencias de radio que hay, ¿cómo sabe tu smartphone o la radio del coche qué frecuencia concreta recibe y cuál debe ignorar? Ahí es donde entran en juego las antenas.

Todo es cuestión de antenas

Las antenas vienen en un montón de formas y tamaños diferentes, pero todas están diseñadas para el mismo propósito – para recoger una frecuencia de onda de radio muy específica. Encontrarás antenas que van desde los largos cables metálicos que sobresalen de una radio FM hasta algo más redondo como una antena parabólica, o incluso un trozo de cobre bien ajustado en una placa de circuito impreso. En un transmisor, las antenas se utilizan para enviar ondas de radio, y en los receptores, para captar una frecuencia de radio. Todas las antenas tienen tres características distintas por las que se miden:

• Dirección. Para algunos tipos de antena, como un dipolo, la antena tiene que estar montada en la dirección adecuada, orientada hacia la dirección de la transmisión de las ondas de radio. Algunos tipos de antenas, como las que se encuentran en una radio FM, no necesitan estar orientadas en una dirección específica y pueden captar señales de ondas de radio desde cualquier ángulo.
• Ganancia. La ganancia de una antena describe cuánto va a aumentar una señal. Por ejemplo, si enciende un viejo televisor analógico, es probable que siga recibiendo una imagen, sólo que borrosa. Esto se debe a que la carcasa metálica y los componentes del televisor actúan como una antena. Pero si conectas una antena direccional real, podrás aumentar la señal y obtener una mejor imagen. Cuanto mayor sea la ganancia, medida en decibelios (dB), mejor será la recepción.
• Ancho de banda. Por último, el ancho de banda de una antena es su rango particular de frecuencias útiles. Cuanto mayor sea el ancho de banda, más ondas de radio podrá captar. Esto es ideal para los televisores, ya que les permite captar más canales. Pero para cosas como tu smartphone, que sólo necesita una onda de radio específica, un ancho de banda completo no es tan necesario.

Hora de llamar a casa

¡Las ondas de radio están por todas partes! Imagina que pudieras verlas con tus propios ojos. Tendrías ondas de radio por todas partes, saliendo de tu router, de tu teléfono móvil y a tu alrededor de los aparatos electrónicos inalámbricos de tu vecino. Las ondas de radio han moldeado nuestra vida moderna como ninguna otra cosa, y sin ellas nunca podríamos disfrutar de inventos tan útiles como el GPS, el WiFi o el Bluetooth, entre otros. Pero la radio va mucho más allá de nuestra existencia física y terrenal. Se han explorado algunos de los confines más lejanos de nuestro universo conocido mediante el uso de la radioastronomía para descubrir cuásares, moléculas y otras galaxias.

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