Conocimientos básicos de comunicación inalámbrica: Mecanismo Inalámbrico (1)

Nota: Este artículo pretende dar una explicación general de la comunicación inalámbrica. Por consiguiente, no hemos explicado completamente algunas áreas y hemos omitido otras por completo. En el futuro, tenemos previsto ir cubriendo esas áreas poco a poco.

1. ¿Qué es la comunicación inalámbrica?

En pocas palabras, la comunicación inalámbrica es la telecomunicación sin hilos que utiliza ondas electromagnéticas (ondas de radio), campos magnéticos y campos eléctricos, mientras que la comunicación óptica utiliza la luz sin utilizar hilos ni cables. Entre los distintos métodos de comunicación inalámbrica, la telecomunicación que utiliza ondas de radio permite la comunicación a larga distancia, del orden de kilómetros o más, y permite transmitir muchos datos (información^)*1. Por lo tanto, las ondas de radio se utilizan en la mayoría de los sistemas de comunicación inalámbrica. En esta serie queremos centrar nuestra explicación principalmente en las ondas de radio.

Los sistemas de comunicación inalámbricos que utilizan ondas de radio están configurados para utilizar el espacio como vía de transmisión (o canal de comunicación) y enviar datos por ondas de radio en forma de ^señales*1 desde los transmisores a los receptores (Fig. 1).

*1: Consideramos aquí "datos", "información" y "señales" de la siguiente manera.
Datos: Conjunto de símbolos y códigos que representan hechos
・Información: Datos que incluyen audio, texto e imágenes que pueden ser interpretados por los seres humanos y utilizados para determinar cosas y emprender acciones.
Señales: Datos o información transmitidos en el tiempo a través de vías de transmisión (canales de comunicación) como el espacio o los cables.
A partir de ahora no distinguiremos entre "información" y "datos" por comodidad. Utilizaremos la expresión "datos" a menos que se especifique lo contrario.

2. Ejemplos de aplicaciones de comunicación inalámbrica

La Tabla 1 resume las categorías aproximadas de comunicación inalámbrica que transmiten datos mediante ondas de radio y las aplicaciones típicas de cada categoría. La comunicación inalámbrica se utiliza en diversos campos. Las aplicaciones y los tipos de comunicación inalámbrica también son muy variados.
Hay que tener en cuenta que en los últimos años la comunicación inalámbrica también se está desarrollando más allá de los límites de estas categorías. Por ejemplo, varios países han puesto en marcha servicios de comunicación móvil por satélite que incorporan la comunicación por satélite a la comunicación móvil (teléfonos inteligentes equipados con una función para conectarse a los satélites).

3. Configuración básica y elementos de los sistemas de comunicación inalámbricos

El modelo básico de configuración de los sistemas de comunicación inalámbricos (y de los sistemas de comunicación por cable) es el de la Fig. 2. En la Tabla 2 se describen sus elementos constitutivos. La figura 1 de "1. ¿Qué es la comunicación inalámbrica?" es una ilustración aún más simplificada de este modelo básico.
Llamamos "señal" a los datos transmitidos a través de una vía de transmisión. Denominamos "ruido" a los componentes innecesarios que afectan negativamente a estas señales y dificultan la transmisión de los datos que queremos enviar al destinatario. En la práctica, el ruido puede aparecer tanto en los transmisores como en los receptores y provocar interferencias en el funcionamiento de los dispositivos y otros problemas. En otras palabras, podemos denominar sistema de comunicación ideal a un sistema de comunicación que no se vea afectado en absoluto por este ruido.

4. Método de comunicación inalámbrica: Modulación y demodulación

La Fig. 3 muestra una configuración que describe la modulación y la demodulación, que son las funciones básicas de un sistema de comunicación inalámbrico. Se basa en el modelo básico del sistema de comunicación de la Fig. 2.
Si se intentan transmitir datos directamente como ondas de radio, no se podrán enviar a largas distancias. Por esta y otras razones, la comunicación inalámbrica requiere una operación llamada "modulación" que convierte los datos en señales convenientes en el transmisor para permitir la transmisión de datos a largas distancias. Por otro lado, en el receptor se requiere una operación llamada "demodulación" que devuelve las señales moduladas a los datos originales.
La Tabla 3 resume las tecnologías de modulación típicas y los ejemplos de adopción. Muchos de los términos son poco familiares en general. Sin embargo, nos gustaría que pensara aquí en estas tecnologías de modulación como las que soportan parte de la infraestructura de nuestro estilo de vida actual, como los teléfonos móviles y las emisiones de radio y televisión. Tenemos previsto explicar los detalles en una página aparte más adelante.

Columna: Las ondas de radio y sus frecuencias

Las ondas de radio son una forma de energía como el movimiento y el calor. También se denominan ondas electromagnéticas. (De hecho, la luz es un tipo de onda electromagnética.) Las ondas de radio se definen como ondas electromagnéticas con una frecuencia igual o inferior a 3.000 GHz en la Ley de Radio de Japón y en el Reglamento de Radiocomunicaciones anexo al Convenio Internacional de Telecomunicaciones. (Más adelante explicaremos cómo calcular la frecuencia).
Estas ondas de radio se emiten desde dispositivos inalámbricos. Sin embargo, no es fácil visualizarlas realmente. Por ello, hemos explicado la aparición y transmisión de las ondas de radio a partir del fenómeno que se produce cuando se hace pasar corriente alterna sinusoidal a través de una barra conductora, por ejemplo de metal, para que resulte más fácil de visualizar.

La figura 4 muestra cómo viajaban las ondas de radio en aquella época. De hecho, las ondas de radio se extienden tridimensionalmente. Sin embargo, aquí nos centramos en las ondas de radio que viajan cuando el conductor está orientado verticalmente para revelar cómo se transmiten. El campo eléctrico*2 ^y el campo ^magnético*2 se mantienen en ángulo recto (ortogonalmente) entre sí. Los cambios en el campo magnético crean un campo eléctrico. Los cambios en el campo eléctrico crean un campo magnético. La repetición de este proceso permite transmitir las ondas de radio en forma de vibraciones sinusoidales. A continuación se describen las principales propiedades de las ondas de radio.

[1] Las ondas de radio son ondas transversales. La amplitud (intensidad) del campo eléctrico y del campo magnético cambia perpendicularmente a la dirección de desplazamiento, y entonces el campo eléctrico y el campo magnético también transmiten las ondas de radio perpendicularmente entre sí.
[2] La velocidad a la que se transmiten las ondas de radio es la misma que la de la luz.
[3] Las ondas de radio no tienen medio de transmisión. (El aire vibra y se transmite en forma de ondas. Entonces sentimos el sonido cuando esas ondas entran en nuestros oídos. En este momento, el aire se denomina medio de transmisión).

Las propiedades de [3] están lejos de nuestros sentidos cotidianos. Sin embargo, se cree que las ondas de radio, u ondas electromagnéticas, que se transmiten incluso en un vacío como el del espacio exterior se propagan mientras vibran los campos eléctricos (espacio en el que actúan las fuerzas eléctricas) y los campos magnéticos (espacio en el que actúan las fuerzas magnéticas).

Por cierto, al principio de esta columna hemos dicho que las ondas de radio son ondas electromagnéticas con una frecuencia igual o inferior a 3.000 GHz. Podemos calcular esta frecuencia (f) [Hz] utilizando la fórmula de f = c/λ suponiendo la longitud de la onda de radio (m) en la Fig. 4 y la velocidad de la luz c (3 × ^108m/s). Las ondas electromagnéticas se clasifican en varios tipos en función de su frecuencia y longitud de onda (Fig. 5).

*2: Campo eléctrico y campo magnético: Un campo eléctrico se refiere a un espacio donde actúa una fuerza eléctrica. Un campo magnético se refiere a un espacio donde actúa una fuerza magnética. La Fig. 6 es una imagen que indica con líneas de flecha el rango del campo eléctrico generado por la aplicación de tensión y el rango del campo magnético generado alrededor del imán.

[Información complementaria avanzada]
A menudo vemos una imagen de la transmisión de ondas de radio que simplemente combina los fenómenos de cambios en el campo magnético creando un campo eléctrico y cambios en el campo eléctrico creando un campo magnético en explicaciones de ondas de radio para principiantes (Fig. 7). Si desea estudiar seriamente las ondas de radio, por ejemplo, en relación con las antenas, en lugar de una imagen de este tipo, es importante tener una imagen de los vectores que representan la intensidad de los campos eléctrico y magnético con flechas en la Fig. 4-el vector de campo ^{eléctrico*3y} el vector de campo ^magnético*3. (La imagen de la Fig. 4 se deriva de las ^ecuaciones de Maxwell*4.) Según esta imagen, las ondas de radio utilizadas en la radiodifusión por satélite, por ejemplo, se explican como ondas de radio polarizadas circularmente que viajan en espiral, mientras que el vector del campo magnético de la Fig. 4 gira hacia la izquierda o hacia la derecha.

*3: Vector campo eléctrico y vector campo magnético:
Estos dos vectores son vectores que representan la rotación en el sentido de las agujas del reloj y la velocidad de rotación. (También se les llama "vectores de rotación" en este sentido.) Esto no significa que ambos indiquen la dirección en la que se mueve un objeto u otra cosa como ocurre con un vector de velocidad.

*4: Ecuaciones de Maxwell: Son las ecuaciones básicas relativas a los campos electromagnéticos que expresan todas las relaciones entre electricidad y magnetismo. La ley de Coulomb, que se inicia en el aprendizaje del electromagnetismo, también puede derivarse de estas ecuaciones.

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