¿Qué es la RF y por qué la usamos?
Aprenda sobre la radiación electromagnética y por qué es tan útil para la comunicación inalámbrica.
Cuando pensamos en electricidad, naturalmente pensamos en cables. Desde las líneas de transmisión de alta tensión hasta los diminutos trazos de una placa de circuito impreso, los cables siguen siendo el medio fundamental para transferir la energía eléctrica de un lugar a otro.
Pero la historia ha demostrado sistemáticamente que los seres humanos rara vez, si es que alguna vez, están satisfechos con la forma fundamental de hacer las cosas y, por lo tanto, no debería sorprendernos saber que a la proliferación de la electricidad le siguieron esfuerzos generalizados para liberar la funcionalidad eléctrica de las restricciones de las interconexiones físicas.
Hay varias formas de incorporar la funcionalidad «inalámbrica» a un sistema eléctrico. Una de ellas es el uso de la radiación electromagnética, que es la base de la comunicación por radiofrecuencia. Sin embargo, es importante reconocer que la radiación electromagnética no es la única capaz de extender los circuitos eléctricos al ámbito inalámbrico. Cualquier cosa que pueda viajar a través de un material no conductor -movimiento mecánico, ondas sonoras, calor- podría utilizarse como un medio (tal vez rudimentario) de convertir la energía eléctrica en información que no dependa de interconexiones conductoras.
Las señales de voltaje (o corriente) sinusoidales cuidadosamente manipuladas son la base de la era inalámbrica moderna.
Con esto en mente, podemos hacernos las preguntas más relevantes: ¿Por qué la radiación electromagnética es el método preferido? ¿Por qué otros tipos de comunicación inalámbrica tienen una importancia tan secundaria? Antes de responder a estas preguntas, asegurémonos de entender qué es la radiación electromagnética.
Campos y ondas
Podrías pasarte años estudiando los detalles del electromagnetismo. Afortunadamente, no necesita ese tipo de conocimientos para diseñar e implementar con éxito circuitos de RF. Pero sí necesita tener una idea básica de la misteriosa energía que se emite desde la antena de su dispositivo.
Como su nombre indica, la radiación electromagnética implica tanto campos eléctricos como campos magnéticos. Si tiene tensión -como la tensión a través de la impedancia de una antena- tiene un campo eléctrico (desde un punto de vista matemático, el campo eléctrico es proporcional a la tasa de cambio espacial de la tensión). Si tienes corriente eléctrica -como la corriente que pasa a través de la impedancia de una antena- tienes un campo magnético (la fuerza del campo es proporcional a la magnitud de la corriente).
Los campos eléctricos y magnéticos están presentes incluso si la magnitud de la tensión o la corriente es constante. Sin embargo, estos campos no se propagarían. Si queremos una onda que se propague hacia el universo, necesitamos cambios en el voltaje y la corriente.
Los componentes eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética se representan como sinusoides perpendiculares.
La clave de este fenómeno de propagación es la relación autosostenida entre los componentes eléctricos y magnéticos de la radiación electromagnética. Un campo eléctrico cambiante genera un campo magnético, y un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico. Esta regeneración mutua se manifiesta como una entidad distinta, a saber, una onda electromagnética. Una vez generada, esta onda viajará hacia el exterior desde su fuente, cargando día tras día, a la velocidad de la luz, hacia las profundidades de lo desconocido.
Crear EMR vs. Controlar EMR
Diseñar todo un sistema de comunicación de RF no es fácil. Sin embargo, es extremadamente fácil generar radiación electromagnética (EMR), y de hecho la generas incluso cuando no quieres. Cualquier señal que varíe en el tiempo en cualquier circuito generará RME, y esto incluye las señales digitales. En la mayoría de los casos, esta RME es simplemente ruido. Si no causa ningún problema, puedes ignorarlo. En algunos casos puede realmente interferir con otros circuitos, en cuyo caso se convierte en EMI (interferencia electromagnética).
Vemos, pues, que el diseño de RF no consiste simplemente en generar EMR; más bien, el diseño de RF es el arte y la ciencia de generar y manipular e interpretar la EMR de forma que le permita transferir de forma fiable información significativa entre dos circuitos que no tienen conexión eléctrica directa.
¿Por qué EMR?
Ahora volvamos a la cuestión de por qué los sistemas basados en EMR son tan comunes en comparación con otras formas de comunicación inalámbrica. En otras palabras, ¿por qué «inalámbrico» se refiere casi siempre a la radiofrecuencia cuando varios otros fenómenos pueden transferir información sin la ayuda de cables? Hay algunas razones:
Agilidad
La RFEM es una extensión natural de las señales eléctricas utilizadas en los circuitos cableados. Las tensiones y corrientes que varían en el tiempo generan EMR tanto si se quiere como si no, y además, esa EMR es una representación precisa de los componentes de CA de la señal original.
Cada porción de esta intrincada forma de onda QPSK transfiere dos bits de información digital.
Consideremos un contraejemplo extremo (y completamente impracticable): un sistema de comunicación inalámbrica basado en el calor. Imaginemos que una habitación contiene dos dispositivos separados. El dispositivo transmisor calienta la habitación a una temperatura determinada en función del mensaje que quiere enviar, y el dispositivo receptor mide e interpreta la temperatura ambiente. Se trata de un sistema lento y torpe porque la temperatura de la habitación no puede seguir con precisión las variaciones de una intrincada señal eléctrica. En cambio, la EMR tiene una gran capacidad de respuesta. Las señales de RF transmitidas pueden reproducir fielmente incluso las complejas formas de onda de alta frecuencia utilizadas en los sistemas inalámbricos de última generación.
Velocidad
En los sistemas acoplados a la CA, la velocidad a la que se pueden transferir los datos depende de la rapidez con la que una señal puede experimentar variaciones. En otras palabras, una señal debe estar haciendo algo -como aumentar y disminuir su amplitud- para poder transmitir información. Resulta que la EMR es un medio de comunicación práctico incluso a frecuencias muy altas, lo que significa que los sistemas de RF pueden alcanzar tasas de transferencia de datos extremadamente altas.
Alcance
La búsqueda de la comunicación inalámbrica está estrechamente ligada a la búsqueda de la comunicación a larga distancia; si el transmisor y el receptor están cerca, a menudo es más sencillo y más rentable utilizar cables. Aunque la intensidad de una señal de radiofrecuencia disminuye según la ley del cuadrado inverso, la EMR -junto con las técnicas de modulación y los sofisticados circuitos del receptor- sigue teniendo una notable capacidad para transferir señales utilizables a largas distancias.
La intensidad de la REM disminuye exponencialmente a medida que la energía emitida se propaga en todas las direcciones.
No se necesita línea de visión
El único medio de comunicación inalámbrico que puede competir con la REM es la luz; esto quizá no sea demasiado sorprendente, ya que la luz es en realidad una REM de muy alta frecuencia. Pero la naturaleza de la transmisión óptica pone de relieve lo que quizá sea la ventaja definitiva que ofrece la comunicación por radiofrecuencia: no se necesita una línea de visión clara.
Nuestro mundo está lleno de objetos sólidos que bloquean la luz, incluso la más potente. Todos hemos experimentado el intenso brillo del sol de verano, pero esa intensidad se reduce en gran medida con nada más que un fino trozo de tela. Por el contrario, la RME de baja frecuencia utilizada en los sistemas de radiofrecuencia atraviesa las paredes, los recintos de plástico, las nubes y -aunque parezca un poco extraño- cada célula del cuerpo humano. Las señales de radiofrecuencia no se ven completamente afectadas por estos materiales y, en algunos casos, puede producirse una atenuación significativa. Pero en comparación con la luz, la RME (de baja frecuencia) llega prácticamente a cualquier parte.
Resumen
- «RF» se refiere al uso de la radiación electromagnética para transferir información entre dos circuitos que no tienen conexión eléctrica directa.
- Las tensiones y corrientes que varían en el tiempo generan energía electromagnética que se propaga en forma de ondas. Podemos transferir de forma inalámbrica datos analógicos y digitales manipulando e interpretando estas ondas.
- La EMR es la forma dominante de comunicación inalámbrica. Una alternativa es el uso de la luz (como en la fibra óptica), pero la RF es mucho más versátil porque la EMR de baja frecuencia no es bloqueada por objetos opacos.