3. ¿Cómo se comportan las ondas de radio?
Por fin nos vamos a centrar en las ondas de radio. Son tantas sus aplicaciones que los gobiernos han tenido que regular su uso. Como las ondas no entienden de fronteras, los estados se deben poner de acuerdo para que su regulación sea armónica; con este objetivo se creó la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Cada país regula el uso del espectro radioeléctrico teniendo en cuenta los acuerdos y recomendaciones de la UIT. El instrumento legal que existe en España se denomina: Cuadro Nacional de Atribución de frecuencias, cuya última actualización fue publicada en el Boletín Oficial del Estado e l 27 de octubre de 2017. (BOE nº 259, de 27 de octubre de 2017, páginas 103115 a 103478)
El espacio que abarca esta regulación y que se corresponde con todo el espectro de las ondas de radio abarca desde los 8 KHz. hasta los 3000 GHz. Este vasto espacio lo exploráremos a continuación, pero antes necesitamos conocer un nuevo concepto de radiotecnia: La modulación.
La modulación
Recordemos cuando al hablar de las ondas, explicábamos de grosso modo lo que sucedía en una emisora que no era otra cosa que crear una onda electromagnética en una frecuencia determinada y conducirla hacia la antena para que pasase al espacio. Por el contrario el receptor la recibía y la convertía en una señal de baja frecuencia que haciendo vibrar un altavoz lo transforma en su sonido audible para el oído humano. El problema es que como resultado solo oiríamos un zumbido continuo. Esta onda se denomina portadora. Esta onda por si sola solo nos serviría para transmitir en telegrafía mediante la interrupción a intervalos largos y cortos (representados gráficamente por rayas y puntos) de la portadora. Como lo que queremos transmitir es voz y música, y hoy en día, datos digitales lo que debemos hacer es añadir esa información a la onda portadora. El proceso se denomina modulación.
Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal moduladora, que es la información que queremos transmitir. (wikipedia.org) Mediante el micrófono convertimos un sonido audible en una señal eléctrica de baja frecuencia, esta se mezcla con la portadora haciendo que varié algún parámetro: La amplitud, frecuencia o fase. Existen también modos de modulación de los datos que suministra un equipo informático y en los cuales está codificado el sonido u otra información. Los datos recibidos se vuelven a decodificar. Para ello emisor y receptor deben utilizar el mismo formato u estándar. De todo esto hablaremos más al tratar en el último capítulo del futuro de la radio.
La radio digital aún tiene camino por recorrer hasta su completa implantación, al menos en España, por eso nos vamos a centrar en los modos analógicos, hoy por hoy mayoritarios: Modulación en Amplitud(AM) y Modulación en frecuencia (FM)
Nos serviremos de imágenes para entender el proceso. Veamos la modulación en Amplitud (AM):
Modulación en amplitud
La onda que aparece en primer lugar es la onda de baja frecuencia obtenida a través del micrófono. La onda intermedia es la onda portadora de radiofrecuencia y la de abajo es el resultado del proceso de mezclar ambas. En el receptor se realiza el proceso de demodulación, esto es separar la señal de baja frecuencia para una vez tratada, llevarla al altavoz u otra salida de audio. Este modo permite receptores baratos pero es sensible a las interferencias
Una variante, utilizada por los radioaficionados es la Banda Lateral Única (SSB) que consiste en que una vez modulada la señal en amplitud, filtrar la portadora y enviar solo la señal lateral modulada Al recibirse, el receptor deberá crear una portadora que unida a la señal recibida recompondrá la señal para su demodulación. Este sistema permite utilizar menor potencia y menor ancho de banda; por el contrario los equipos son caros más complejos y caros. Existe el convenio de por debajo de 10 MHz, modular la banda lateral inferior (LSB) y por encima la banda lateral superior (USB)
El otro modo es la Modulación en Frecuencia o FM
Modulación en frecuencia
Aquí se modula la frecuencia. Este sistema emplea más ancho de banda pero no le afectan tanto las interferencias permitiendo una excelente calidad de sonido. Por esto es utilizado para transmitir música.
Terminamos este epígrafe haciendo hincapié en que AM y FM son modos de modular, no tipos de onda. Lo que sucede que al modular una determinada banda en un modo determinado se confunden los términos.
Ya estamos listos para una primera exploración del espectro.
Bandas de Ondas
8 a 300 KHz. Onda larga (LW) (OL)
Denominadas así por que su longitud de onda es 1 a 10 km. Estás ondas emitidas con cierta potencia pueden propagarse a grandes distancias. Se propagan siguiendo la línea de la tierra (onda de tierra), siendo las únicas frecuencias que pueden propagarse por el fondo marino. En contra tienen lo reducido del espectro (solo 300 khz) y la poca eficiencia de las antenas que deben der de grandes dimensiones.
300 kHz a 3 MHz Onda Media. (MW) (OM)
Este es el verdadero nombre de lo que denominamos AM y que como explicamos es el modo en que modulan las emisoras de radiodifusión que operan en esta banda.
Lo interesante de esta banda es el modo de propagarse. De día se propaga al igual que la onda larga siguiendo la línea de tierra.
Dependiendo de la potencia aplicada pueden llegar a unos cientos de kilómetros. Por la noche sin embargo, desaparece la capa (d) de la ionosfera que absorbe las ondas medias y estas aumentan su propagación aumentando su alcance. Así de día será difícil escuchar una emisora que este a más de 300 km.
Por la noche podremos oír con claridad una emisora que este a mil km y emita con cierta potencia.
Esta banda tiene la contra de que se ve muy afectada por interferencias producidas por tormentas a veces situadas a miles de km. También los sistemas eléctricos como el alumbrado producen perturbaciones.
3MHz a 30 MHz. Onda corta (SW) (OC)
Estas frecuencias, que en propagación directa no pasarían de un centenar de km, tienen también una característica que las hace aptas para comunicaciones a muy larga distancia. A partir de esta banda las ondas se propagan de modo directo sin seguir la curvatura de la tierra. Es lo que se denomina propagación por onda directa.
Estas ondas rebotan en las capas altas de la ionosfera que se encuentra a unos 400 km de altura. (Propagación ionosférica) A mayor frecuencia la capa donde rebotará será más alta. Tras rebotar vuelven a la tierra o al mar donde vuelven a reflejarse regresando a la ionosfera. El proceso continua hasta que la onda pierde su energía y se desvanece. Esta peculiaridad hace que puedan cubrir grandes zonas del globo terráqueo.
Las características de la ionosfera no siempre son las mismas, varían dependiendo de la actividad solar, esto hace que las condiciones de propagación en estas bandas varié según sea día o noche o según la estación del año.
También el ciclo de manchas solares tiene gran influencia. Un ciclo de manchas solares dura 11 años y en el momento de mayor número de manchas, la propagación mejora. Consecuencia de todos estos factores es que en muchos receptores la banda de onda corta se subdivide en longitudes de onda que son: 90, 75, 60. 49. 41, 31, 25, 21,19.16, 13 y 11 mts. La explicación es que en un determinado momento la propagación no es la misma en toda la banda. Así una emisora de radiodifusión en un momento del día puede emitir por una longitud de onda y en otro por otra, dependiendo de propagación en ese momento.
Las bandas entre 10 y 14 MHz se llaman bandas altas o bandas diurnas cuya propagación aumenta en verano. Por el contrario las bandas entre 3 y 10 megahercios son las bandas nocturnas cuya propagación es mejor en invierno. Las bandas intermedias 25 y 31 m tienen características comunes a ambas.
30 a 300 MHz Muy alta frecuencia (VHF)
En este segmento y en los de frecuencias superiores la propagación es por onda directa. Si subimos a una montaña podemos cubrir grandes distancias (200-300 Km) o mayores si quien nos recibe se encuentra en otra zona alta y sobre todo si su ubicación es visible) aunque en el camino quedarán muchas zonas de sombra (Fondos de valles. La ladera oculta para nosotros, etc.) Por eso, salvo que solo se quiera emitir para las cercanías, los emisores en estas bandas se instalan en puntos altos; también en puntos altos se ubican repetidores que remiten la señal salvando así obstáculos geográficos y cubriendo una zona más amplia. Este tipo de ondas, al contrario que la onda corta, consigue pasar todas las capas de la atmósfera por lo que se utilizan para comunicación vía satélite; haciendo estos la misma función de un repetidor terrestre.
No obstante de modo esporádico se puede dar la propagación troposférica. La onda al salir de la antena se propaga, o bien en línea recta, o bien con un cierto ángulo. Estas últimas ondas pueden rebotar de modo esporádico en las capas de la troposfera. Este modo de propagación se ve favorecido por las inversiones térmicas que se producen en estas capas en las mañanas de verano, siendo pues el momento más óptimo para que se de este tipo de propagación.
300 MHz. a 3 GHz. y superiores Ultra alta frecuencia (UHF)
En este tipo de ondas, al igual que en VHF, la propagación se produce por onda directa limitada por el horizonte. La hora del día, el sol y sobre todo la humedad atmosférica influyen en su propagación. La humedad atmosférica (moléculas de agua) absorbe parcialmente la energía de la onda de radio reduciendo o atenuando la onda en largas distancias Esta degradación aumenta con la frecuencia, en bandas de VHF no afecta tanto. El hecho de propagarse en la troposfera hace, que al igual que en VHF, el ducto troposférico donde la atmósfera se calienta y se enfría a lo largo del día afecte a su propagación. Al tener unas longitudes de onda centimétricas sucede que obstáculos (edificios, grandes construcciones, etc.) crean difracciones creando haces separados de ondas que al llegar al receptor haga que estas ondas se sumen o se resten apareciendo un desvanecimiento o un reforzamiento de señal según el caso. Al igual que en VHF al no reflejarse en capas superiores de la atmósfera se utilizan para satélites y comunicaciones espaciales.
