Espectro radioeléctrico y tecnologías inalámbricas

El espectro radioeléctrico

La luz, las ondas de radio, las microondas y los rayos X son ondas electromagnéticas: todas viajan en el vacío a la misma rapidez, $c = 3\times10^{8}\ \text{m/s}$, y solo se diferencian en su frecuencia (y, por eso, en su longitud de onda).

Ordenadas de menor a mayor frecuencia forman el espectro electromagnético. La parte de frecuencias bajas que se usa para transmitir información (de unos pocos kHz hasta cientos de GHz) es el espectro radioeléctrico. Las ondas ahí son invisibles e inofensivas para comunicarse: no tienen la energía de los rayos X.

Las frecuencias del espectro radioeléctrico no son de nadie en particular: son un recurso limitado, como el agua o el aire. En El Salvador lo regula la SIGET, que reparte «canales» para que cada emisora o servicio use su propia franja y no se pisen entre sí.

Algunas franjas que usás todos los días:

Frecuencia y longitud de onda: c = λ·f

Una onda tiene una frecuencia $f$ (cuántas oscilaciones por segundo) y una longitud de onda $\lambda$ (la distancia que recorre en una oscilación). Si en un segundo pasan $f$ oscilaciones y cada una mide $\lambda$, la onda avanza $\lambda\cdot f$ metros cada segundo. Esa distancia por segundo es su rapidez:

Como $c$ es constante, si la frecuencia sube, la longitud de onda baja, y al revés. Por eso en el espectro, a la derecha, las ondas son cada vez más cortas.

Prefijos para convertir a hertz: $1\ \text{kHz} = 10^{3}\ \text{Hz}$, $1\ \text{MHz} = 10^{6}\ \text{Hz}$, $1\ \text{GHz} = 10^{9}\ \text{Hz}$.

Radiofrecuencia frente a luz visible

¿Por qué una señal de $100\ \text{MHz}$ es «de radio» y no «de luz»? Calculá su longitud de onda: $\lambda = 3\times10^{8}/10^{8} = 3\ \text{m}$. La luz visible tiene longitudes de onda de unos $400$ a $700\ \text{nm}$ (millonésimas de milímetro), es decir, frecuencias del orden de $5\times10^{14}\ \text{Hz}$, millones de veces mayores.

La diferencia no es de «materia», sino de frecuencia: nuestros ojos solo detectan una franja muy estrecha, mientras que las ondas de radio necesitan antenas y circuitos para detectarse.

Tamaño de la antena y longitud de onda

Una antena funciona bien cuando su tamaño es comparable a la longitud de onda; una referencia común es la mitad o un cuarto de $\lambda$. Si es mucho más pequeña, capta o emite muy poca señal.

Los celulares usan frecuencias altas, de modo que $\lambda$ es corta y la antena cabe en el bolsillo.

Tecnologías inalámbricas de uso diario

Todas siguen la misma idea: un transmisor convierte la información (voz, datos, imagen) en una señal eléctrica que una antena emite como onda electromagnética; un receptor la capta con su antena y recupera la información. Lo que cambia es la frecuencia, el alcance y la forma de ordenar la comunicación.

Wifi y bluetooth

Ambos transmiten datos por microondas de $2.4\ \text{GHz}$. El wifi conecta tu celular con un router, que lo enlaza a internet: mayor potencia, más alcance y más velocidad. El bluetooth conecta dos aparatos cercanos con muy poca potencia: poco alcance, bajo consumo, ideal para audífonos.

Como comparten la misma banda de 2.4 GHz, se pueden interferir: dos señales en frecuencias muy próximas se mezclan en el receptor. Para reducirlo, el bluetooth cambia de canal muchas veces por segundo, y el wifi permite elegir otro canal o usar 5 GHz.

GPS

Unos 24 o más satélites dan vueltas alrededor de la Tierra y emiten continuamente una señal con la hora exacta en que se envió y su posición. El receptor del carro solo recibe: no transmite. Mide cuánto tardó cada señal en llegar: $d = c\cdot t$. Con una distancia solo sabe que está en una esfera alrededor de un satélite; con tres distancias queda en un punto, y un cuarto satélite corrige el error de su reloj. Por eso necesita captar varios satélites a la vez.

Telefonía móvil

El territorio se divide en celdas; cada una tiene una torre de celular. Tu celular se comunica con la torre más cercana, y las torres se enlazan entre sí y con la red. Al moverte de una celda a otra, la llamada pasa de torre sin cortarse.

Elegir un enlace: frecuencia, alcance y terreno

Las ondas de frecuencia baja (λ larga) rodean mejor los obstáculos, como cerros y edificios (se difractan), y llegan más lejos en terreno quebrado; pero transportan poca información por segundo. Las de frecuencia alta (microondas, λ corta) permiten mucho ancho de banda, es decir, más datos por segundo (video, internet), pero viajan en línea recta y un cerro las bloquea; por eso se instalan antenas en lugares altos con visibilidad directa.

Volvé al principio: tu celular, el wifi y las emisoras no se mezclan porque cada servicio tiene asignada una franja de frecuencias, y la antena de tu celular es pequeña porque usa frecuencias altas con longitud de onda corta.

Resumen

• El espectro radioeléctrico es el conjunto de frecuencias electromagnéticas usadas para comunicarse sin cables; la SIGET reparte sus franjas.

• Toda onda electromagnética cumple $c = \lambda\cdot f$ con $c = 3\times10^{8}\ \text{m/s}$; convertí siempre la frecuencia a Hz.

• A mayor frecuencia, menor longitud de onda; la antena es una fracción de λ, por eso las de celular son pequeñas.

• Wifi y bluetooth usan 2.4 GHz y pueden interferirse; el GPS solo recibe señales de varios satélites; el celular se conecta a la torre de su celda.

• Frecuencia baja: rodea obstáculos, poca información. Microondas: mucha información, necesita línea de vista.