En las comunicaciones por radio , que se utilizan en la radiodifusión y la televisión , los teléfonos móviles, las radios bidireccionales , las redes inalámbricas y las comunicaciones por satélite , entre otros muchos usos, las ondas de radio se utilizan para transportar información a través del espacio desde un transmisor a un receptor, modulando la señal de radio (imprimiendo una señal de información en la onda de radio variando algún aspecto de la onda) en el transmisor. En el radar, que se utiliza para localizar y rastrear objetos como aviones, barcos, naves espaciales y misiles, un haz de ondas de radio emitido por un transmisor de radar se refleja en el objeto objetivo y las ondas reflejadas revelan la ubicación del objeto a un receptor que normalmente está ubicado junto al transmisor. En los sistemas de radionavegación como el GPS y el VOR , un instrumento de navegación móvil recibe señales de radio de varias radiobalizas de navegación cuya posición se conoce y, midiendo con precisión el tiempo de llegada de las ondas de radio, el receptor puede calcular su posición en la Tierra. En los dispositivos de control remoto por radio inalámbricos como los drones , los abridores de puertas de garaje y los sistemas de entrada sin llave , las señales de radio transmitidas desde un dispositivo controlador controlan las acciones de un dispositivo remoto.
La existencia de las ondas de radio fue probada por primera vez por el físico alemán Heinrich Hertz el 11 de noviembre de 1886. [4] A mediados de la década de 1890, basándose en las técnicas que utilizaban los físicos para estudiar las ondas electromagnéticas, Guglielmo Marconi desarrolló el primer aparato para la comunicación por radio a larga distancia, [5] enviando un mensaje inalámbrico en código Morse a un destinatario a más de un kilómetro de distancia en 1895, [6] y la primera señal transatlántica el 12 de diciembre de 1901. [7] La primera transmisión de radio comercial se transmitió el 2 de noviembre de 1920, cuando los resultados en vivo de la elección presidencial Harding-Cox fueron transmitidos por Westinghouse Electric and Manufacturing Company en Pittsburgh, bajo el indicativo KDKA . [8]
La palabra radio se deriva del latín radio , que significa "radio de una rueda, haz de luz, rayo". Se aplicó por primera vez a las comunicaciones en 1881 cuando, por sugerencia del científico francés Ernest Mercadier [fr] , Alexander Graham Bell adoptó radiófono (que significa "sonido irradiado") como nombre alternativo para su sistema de transmisión óptica fotófono . [9] [10]
Tras el descubrimiento de Hertz de la existencia de ondas de radio en 1886, el término ondas hertzianas se utilizó inicialmente para esta radiación. [11] Los primeros sistemas prácticos de comunicación por radio, desarrollados por Marconi en 1894-1895, transmitían señales telegráficas mediante ondas de radio, [4] por lo que la comunicación por radio se denominó primero telegrafía sin hilos . Hasta aproximadamente 1910, el término telegrafía sin hilos también incluía una variedad de otros sistemas experimentales para transmitir señales telegráficas sin cables, incluida la inducción electrostática , la inducción electromagnética y la conducción acuática y terrestre , por lo que existía la necesidad de un término más preciso que se refiriera exclusivamente a la radiación electromagnética. [12] [13]
El físico francés Édouard Branly , que en 1890 desarrolló el coherer detector de ondas de radio , lo llamó en francés radio-conducteur . [14] [15] El prefijo radio- se utilizó más tarde para formar palabras descriptivas compuestas y con guion, especialmente en Europa. Por ejemplo, a principios de 1898, la publicación británica The Practical Engineer incluyó una referencia al radiotelégrafo y la radiotelegrafía . [14] [16]
El uso de radio como palabra independiente se remonta al menos al 30 de diciembre de 1904, cuando las instrucciones emitidas por la Oficina Postal Británica para transmitir telegramas especificaron que "La palabra 'Radio'... se envía en las Instrucciones de Servicio". [14] [17] Esta práctica fue adoptada universalmente, y la palabra "radio" se introdujo internacionalmente, mediante la Convención Radiotelegráfica de Berlín de 1906, que incluía un Reglamento de Servicio que especificaba que "Los radiotelegramas deberán mostrar en el preámbulo que el servicio es 'Radio ' ". [14]
El cambio a la radio en lugar de la tecnología inalámbrica se produjo de forma lenta y desigual en el mundo angloparlante. Lee de Forest ayudó a popularizar la nueva palabra en los Estados Unidos: a principios de 1907, fundó la DeForest Radio Telephone Company, y su carta en el Electrical World del 22 de junio de 1907 sobre la necesidad de restricciones legales advertía que "el caos de la radio será sin duda el resultado hasta que se aplique una regulación tan estricta". [18] La Marina de los Estados Unidos también desempeñaría un papel. Aunque su traducción de la Convención de Berlín de 1906 utilizó los términos telégrafo inalámbrico y telegrama inalámbrico , en 1912 comenzó a promover el uso de la radio en su lugar. El término comenzó a ser preferido por el público en general en la década de 1920 con la introducción de la radiodifusión.
Historia
Las ondas electromagnéticas fueron predichas por James Clerk Maxwell en su teoría del electromagnetismo de 1873 , ahora llamada ecuaciones de Maxwell , quien propuso que un campo eléctrico oscilante acoplado y un campo magnético podrían viajar a través del espacio como una onda, y propuso que la luz consistía en ondas electromagnéticas de longitud de onda corta . El 11 de noviembre de 1886, el físico alemán Heinrich Hertz , intentando confirmar la teoría de Maxwell, observó por primera vez ondas de radio que generó utilizando un transmisor de chispa primitivo . [4] Los experimentos de Hertz y los físicos Jagadish Chandra Bose , Oliver Lodge , Lord Rayleigh y Augusto Righi , entre otros, mostraron que las ondas de radio como la luz demostraban reflexión, refracción , difracción , polarización , ondas estacionarias y viajaban a la misma velocidad que la luz, lo que confirma que tanto la luz como las ondas de radio eran ondas electromagnéticas, que solo se diferenciaban en la frecuencia. [19] En 1895, Guglielmo Marconi desarrolló el primer sistema de comunicación por radio, utilizando un transmisor de chispa para enviar código Morse a largas distancias. En diciembre de 1901, había transmitido a través del Océano Atlántico. [4] [5] [6] [7] Marconi y Karl Ferdinand Braun compartieron el Premio Nobel de Física de 1909 "por sus contribuciones al desarrollo de la telegrafía inalámbrica". [20]
Las ondas de radio son radiadas por cargas eléctricas que experimentan aceleración . [21] [22] Se generan artificialmente mediante corrientes eléctricas que varían en el tiempo y que consisten en electrones que fluyen de un lado a otro en un conductor metálico llamado antena . [23] [24]
A medida que se alejan de la antena transmisora, las ondas de radio se dispersan, por lo que la intensidad de su señal ( intensidad en vatios por metro cuadrado) disminuye (ver Ley del cuadrado inverso ), por lo que las transmisiones de radio solo se pueden recibir dentro de un rango limitado del transmisor, la distancia depende de la potencia del transmisor, el patrón de radiación de la antena , la sensibilidad del receptor, el nivel de ruido de fondo y la presencia de obstrucciones entre el transmisor y el receptor . Una antena omnidireccional transmite o recibe ondas de radio en todas las direcciones, mientras que una antena direccional transmite ondas de radio en un haz en una dirección particular, o recibe ondas de una sola dirección. [25] [26] [27] [28]
Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz en el vacío [29] y a una velocidad ligeramente menor en el aire. [30]
Además de las ondas de radio, los demás tipos de ondas electromagnéticas ( infrarrojas , luz visible , ultravioleta , rayos X y rayos gamma ) también pueden transportar información y utilizarse para la comunicación. El amplio uso de las ondas de radio para las telecomunicaciones se debe principalmente a sus deseables propiedades de propagación derivadas de su mayor longitud de onda. [24]
Comunicación por radio
Comunicación por radio. Un transductor, como un micrófono , convierte información como el sonido en una señal eléctrica que modula una onda de radio producida por el transmisor . Un receptor intercepta la onda de radio y extrae la señal de modulación portadora de información, que se convierte nuevamente a un formato utilizable por el ser humano con otro transductor, como un altavoz .Comparación de ondas de radio moduladas AM y FM
En los sistemas de comunicación por radio, la información se transmite a través del espacio mediante ondas de radio. En el extremo emisor, la información que se va a enviar se convierte mediante algún tipo de transductor en una señal eléctrica variable en el tiempo llamada señal de modulación. [24] [31] La señal de modulación puede ser una señal de audio que representa el sonido de un micrófono , una señal de vídeo que representa imágenes en movimiento de una cámara de vídeo o una señal digital que consiste en una secuencia de bits que representan datos binarios de una computadora. La señal de modulación se aplica a un transmisor de radio . En el transmisor, un oscilador electrónico genera una corriente alterna que oscila a una frecuencia de radio , llamada onda portadora porque sirve para generar las ondas de radio que transportan la información a través del aire. La señal de modulación se utiliza para modular la portadora, variando algún aspecto de la onda portadora, imprimiendo la información de la señal de modulación sobre la portadora. Los diferentes sistemas de radio utilizan diferentes métodos de modulación: [32]
AM ( modulación de amplitud ): en un transmisor AM, la amplitud (fuerza) de la onda portadora de radio varía según la señal de modulación; [32] : 3
FM ( modulación de frecuencia ): en un transmisor FM, la frecuencia de la onda portadora de radio varía según la señal de modulación; [32] : 33
También se utilizan muchos otros tipos de modulación. En algunos tipos, no se transmite una onda portadora, sino sólo una o ambas bandas laterales de modulación . [34]
La portadora modulada se amplifica en el transmisor y se aplica a una antena transmisora que irradia la energía en forma de ondas de radio. Las ondas de radio llevan la información a la ubicación del receptor. [35] En el receptor, la onda de radio induce un pequeño voltaje
oscilante en la antena receptora que es una réplica más débil de la corriente en la antena transmisora. [24] [31] Este voltaje se aplica al receptor de radio , que amplifica la señal de radio débil para que sea más fuerte, luego la demodula , extrayendo la señal de modulación original de la onda portadora modulada. La señal de modulación se convierte mediante un transductor a una forma utilizable por humanos: una señal de audio se convierte en ondas de sonido mediante un altavoz o auriculares, una señal de video se convierte en imágenes mediante una pantalla , mientras que una señal digital se aplica a una computadora o microprocesador, que interactúa con los usuarios humanos. [32]
Las ondas de radio de muchos transmisores pasan por el aire simultáneamente sin interferirse entre sí porque las ondas de radio de cada transmisor oscilan a una velocidad diferente, en otras palabras, cada transmisor tiene una frecuencia diferente , medida en hercios (Hz), kilohercios (kHz), megahercios (MHz) o gigahercios (GHz). La antena receptora normalmente capta las señales de radio de muchos transmisores. El receptor utiliza circuitos sintonizados para seleccionar la señal de radio deseada de entre todas las señales captadas por la antena y rechazar las demás. Un circuito sintonizado (también llamado circuito resonante o circuito tanque) actúa como un resonador , similar a un diapasón . [31] Tiene una frecuencia de resonancia natural a la que oscila. La frecuencia de resonancia del circuito sintonizado del receptor es ajustada por el usuario a la frecuencia de la estación de radio deseada; esto se llama "sintonización". La señal de radio oscilante de la estación deseada hace que el circuito sintonizado resuene , oscile en sintonía y transmita la señal al resto del receptor. Las señales de radio en otras frecuencias son bloqueadas por el circuito sintonizado y no se transmiten. [36]
Ancho de banda
Espectro de frecuencia de una señal de radio AM o FM modulada típica. Consta de un componente C en la frecuencia de la onda portadora con la información ( modulación ) contenida en dos bandas estrechas de frecuencias llamadas bandas laterales ( SB ) justo por encima y por debajo de la frecuencia portadora.
Una onda de radio modulada, que transporta una señal de información, ocupa un rango de frecuencias . La información ( modulación ) en una señal de radio se concentra generalmente en bandas de frecuencia estrechas llamadas bandas laterales ( SB ) justo por encima y por debajo de la frecuencia portadora . El ancho en hercios del rango de frecuencia que ocupa la señal de radio, la frecuencia más alta menos la frecuencia más baja, se llama su ancho de banda ( BW ). [32] [37] Para cualquier relación señal-ruido dada , una cantidad de ancho de banda puede transportar la misma cantidad de información ( velocidad de datos en bits por segundo) independientemente de dónde se encuentre en el espectro de frecuencia de radio, por lo que el ancho de banda es una medida de la capacidad de transporte de información . El ancho de banda requerido por una transmisión de radio depende de la velocidad de datos de la información (señal de modulación) que se envía y de la eficiencia espectral del método de modulación utilizado; cuántos datos puede transmitir en cada kilohercio de ancho de banda. Los diferentes tipos de señales de información transportadas por radio tienen diferentes velocidades de datos. Por ejemplo, una señal de televisión (video) tiene una mayor velocidad de datos que una señal de audio . [32] [38]
El espectro radioeléctrico , el rango total de frecuencias de radio que se pueden utilizar para la comunicación en un área determinada, es un recurso limitado. [37] [3] Cada transmisión de radio ocupa una porción del ancho de banda total disponible. El ancho de banda de radio se considera un bien económico que tiene un costo monetario y cuya demanda es cada vez mayor. En algunas partes del espectro radioeléctrico, el derecho a utilizar una banda de frecuencia o incluso un solo canal de radio se compra y se vende por millones de dólares. Por lo tanto, existe un incentivo para emplear tecnología que minimice el ancho de banda utilizado por los servicios de radio. [38]
A finales de los años 1990 se inició una transición lenta de las tecnologías de transmisión de radio analógicas a las digitales . [39] [40] Parte de la razón de esto es que la modulación digital a menudo puede transmitir más información (una mayor tasa de datos) en un ancho de banda determinado que la modulación analógica , mediante el uso de algoritmos de compresión de datos , que reducen la redundancia en los datos a enviar, y una modulación más eficiente. Otras razones para la transición es que la modulación digital tiene una mayor inmunidad al ruido que la analógica, los chips de procesamiento de señales digitales tienen más potencia y flexibilidad que los circuitos analógicos, y se puede transmitir una amplia variedad de tipos de información utilizando la misma modulación digital. [32]
La UIT divide arbitrariamente el espectro radioeléctrico en 12 bandas, cada una de las cuales comienza en una longitud de onda que es una potencia de diez (10 n ) metros, con una frecuencia correspondiente de 3 veces una potencia de diez, y cada una cubre una década de frecuencia o longitud de onda. [3] [41] Cada una de estas bandas tiene un nombre tradicional: [42]
Se puede observar que el ancho de banda , el rango de frecuencias, contenido en cada banda no es igual sino que aumenta exponencialmente a medida que aumenta la frecuencia; cada banda contiene diez veces el ancho de banda de la banda anterior. [43]
El término "frecuencia tremendamente baja" (TLF) se ha utilizado para longitudes de onda de 1 a 3 Hz (300 000 a 100 000 km), [44] aunque la UIT no ha definido el término. [42]
Regulación
Las ondas de radio son un recurso compartido por muchos usuarios. Dos transmisores de radio en la misma zona que intenten transmitir en la misma frecuencia interferirán entre sí, lo que provocará una recepción distorsionada, por lo que es posible que ninguna de las transmisiones se reciba con claridad. [37] La interferencia con las transmisiones de radio no solo puede tener un gran costo económico, sino que también puede poner en peligro la vida (por ejemplo, en el caso de interferencias con las comunicaciones de emergencia o el control del tráfico aéreo ). [45] [46]
Para evitar interferencias entre diferentes usuarios, la emisión de ondas de radio está estrictamente regulada por leyes nacionales, coordinadas por un organismo internacional, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), que asigna bandas en el espectro radioeléctrico para diferentes usos. [37] [3] Los transmisores de radio deben tener licencia de los gobiernos, bajo una variedad de clases de licencia según el uso, y están restringidos a ciertas frecuencias y niveles de potencia. En algunas clases, como las estaciones de transmisión de radio y televisión, al transmisor se le da un identificador único que consiste en una cadena de letras y números llamada indicativo de llamada , que debe usarse en todas las transmisiones. [47] Para ajustar, mantener o reparar internamente transmisores de radioteléfono, las personas deben tener una licencia gubernamental, como la licencia general de operador de radioteléfono en los EE. UU., obtenida al tomar una prueba que demuestre un conocimiento técnico y legal adecuado de la operación segura de la radio. [48]
A continuación se presentan algunos de los usos más importantes de la radio, organizados por función.
Radiodifusión
La radiodifusión es la transmisión unidireccional de información desde un transmisor a receptores pertenecientes a una audiencia pública. [50] Dado que las ondas de radio se debilitan con la distancia, una estación de radiodifusión solo puede recibirse dentro de una distancia limitada de su transmisor. [51] Los sistemas que transmiten desde satélites generalmente pueden recibirse en todo un país o continente. La radio y la televisión terrestres más antiguas se pagan con publicidad comercial o los gobiernos. En los sistemas de suscripción como la televisión y la radio por satélite , el cliente paga una tarifa mensual. En estos sistemas, la señal de radio está encriptada y solo puede ser descifrada por el receptor, que está controlado por la empresa y puede desactivarse si el cliente no paga. [52]
La radiodifusión utiliza varias partes del espectro radioeléctrico, dependiendo del tipo de señales transmitidas y del público objetivo deseado. Las señales de onda larga y media pueden dar una cobertura confiable de áreas de varios cientos de kilómetros de ancho, pero tienen una capacidad de transporte de información más limitada y, por lo tanto, funcionan mejor con señales de audio (voz y música), y la calidad del sonido puede degradarse por el ruido de radio de fuentes naturales y artificiales. Las bandas de onda corta tienen un alcance potencial mayor, pero están más sujetas a interferencias de estaciones distantes y condiciones atmosféricas variables que afectan la recepción. [53] [54]
En la banda de frecuencias muy altas , superior a 30 megahertz, la atmósfera terrestre tiene un efecto menor en el alcance de las señales y la propagación a través de la línea de visión se convierte en el modo principal. Estas frecuencias más altas permiten el gran ancho de banda necesario para la transmisión de televisión. Como las fuentes de ruido naturales y artificiales están menos presentes en estas frecuencias, es posible la transmisión de audio de alta calidad mediante modulación de frecuencia . [55] [56]
AM ( modulación de amplitud ): en AM, la amplitud (fuerza) de la onda portadora de radio varía según la señal de audio. La transmisión AM , la tecnología de transmisión más antigua, está permitida en las bandas de transmisión AM , entre 148 y 283 kHz en la banda de baja frecuencia (LF) para transmisiones de onda larga y entre 526 y 1706 kHz en la banda de frecuencia media (MF) para transmisiones de onda media. [58] Debido a que las ondas en estas bandas viajan como ondas terrestres siguiendo el terreno, las estaciones de radio AM se pueden recibir más allá del horizonte a cientos de millas de distancia, pero AM tiene menor fidelidad que FM. La potencia radiada ( ERP ) de las estaciones AM en los EE. UU. generalmente está limitada a un máximo de 10 kW, aunque unas pocas ( estaciones de canal claro ) pueden transmitir a 50 kW. Las estaciones AM transmiten en audio monoaural; los estándares de transmisión estéreo AM existen en la mayoría de los países, pero la industria de la radio no ha podido actualizarlos debido a la falta de demanda. [59]
La radio digital implica una variedad de estándares y tecnologías para transmitir señales de radio digitales por aire. Algunos sistemas, como HD Radio y DRM , operan en las mismas bandas de frecuencias que las transmisiones analógicas, ya sea como reemplazo de estaciones analógicas o como un servicio complementario. Otros, como DAB/DAB+ e ISDB_Tsb , operan en bandas de frecuencias tradicionalmente utilizadas para servicios de televisión o satélite. [62]
Radio "Roberts" para DAB
La radiodifusión de audio digital (DAB) debutó en algunos países en 1998. Transmite audio como una señal digital en lugar de una señal analógica como lo hacen AM y FM. [63] La DAB tiene el potencial de proporcionar un sonido de mayor calidad que la FM (aunque muchas estaciones no eligen transmitir con una calidad tan alta), tiene una mayor inmunidad al ruido y la interferencia de radio, hace un mejor uso del escaso ancho de banda del espectro radioeléctrico y proporciona funciones avanzadas para el usuario, como guías electrónicas de programas . Su desventaja es que es incompatible con las radios anteriores, por lo que se debe comprar un nuevo receptor DAB. [64] Varias naciones han establecido fechas para apagar las redes FM analógicas a favor de DAB / DAB+, en particular Noruega en 2017 [65] y Suiza en 2024. [66]
Una única estación DAB transmite una señal con un ancho de banda de 1.500 kHz que transporta entre 9 y 12 canales de audio digital modulados por OFDM entre los que el oyente puede elegir. Las emisoras pueden transmitir un canal a distintas velocidades de bits , por lo que los distintos canales pueden tener una calidad de audio diferente. En distintos países, las estaciones DAB transmiten en la banda III (174-240 MHz) o en la banda L (1,452-1,492 GHz) en el rango UHF, por lo que la recepción de FM está limitada por el horizonte visual a unas 40 millas (64 km). [67] [64]
HD Radio es un estándar de radio digital alternativo ampliamente implementado en América del Norte. [68] HD Radio, una tecnología en banda y en canal , transmite una señal digital en una subportadora de la señal analógica FM o AM de una estación. Las estaciones pueden realizar multidifusión de más de una señal de audio en la subportadora, lo que admite la transmisión de múltiples servicios de audio a diferentes velocidades de bits. [69] La señal digital se transmite utilizando OFDM con el formato de compresión de audio propietario HDC ( High-Definition Coding ) . HDC se basa en el estándar MPEG-4 HE-AAC , pero no es compatible con él . [70] Utiliza un algoritmo de compresión de datos de audio de transformada de coseno discreta modificada (MDCT) . [71]
Digital Radio Mondiale (DRM) es un estándar de radio terrestre digital desarrollado principalmente por radiodifusores como un reemplazo de mayor eficiencia espectral para la transmisión AM y FM heredada. Mondiale significa "mundial" en francés e italiano; DRM se desarrolló en 2001 y actualmente cuenta con el apoyo de 23 países y fue adoptado por algunos radiodifusores europeos y orientales a partir de 2003. El modo DRM30 utiliza las bandas de transmisión comercial por debajo de los 30 MHz y está destinado a reemplazar la transmisión AM estándar en las bandas de onda larga , onda media y onda corta . El modo DRM+ utiliza frecuencias VHF centradas alrededor de la banda de transmisión FM y está destinado a reemplazar la transmisión FM. Es incompatible con los receptores de radio existentes, por lo que requiere que los oyentes compren un nuevo receptor DRM. La modulación utilizada es una forma de OFDM llamada COFDM en la que se transmiten hasta 4 portadoras en un canal anteriormente ocupado por una sola señal AM o FM, modulada por modulación de amplitud en cuadratura (QAM). [72] [60]
El sistema DRM está diseñado para ser lo más compatible posible con los transmisores de radio AM y FM existentes, de modo que gran parte del equipo en las estaciones de radio existentes pueda continuar en uso, complementado con equipos de modulación DRM. [72] [60]
La radiodifusión televisiva es la transmisión de imágenes en movimiento por radio, que consisten en secuencias de imágenes fijas, que se muestran en una pantalla en un receptor de televisión (un "televisor" o TV) junto con un canal de audio (sonido) sincronizado. Las señales de televisión ( vídeo ) ocupan un ancho de banda mayor que las señales de radiodifusión ( audio ). La televisión analógica , la tecnología de televisión original, requería 6 MHz, por lo que las bandas de frecuencia de televisión se dividen en canales de 6 MHz, ahora llamados "canales de RF". [75]
El estándar de televisión actual, introducido a principios de 2006, es un formato digital llamado televisión de alta definición (HDTV), que transmite imágenes a una resolución más alta, típicamente 1080 píxeles de alto por 1920 píxeles de ancho, a una velocidad de 25 o 30 cuadros por segundo. Los sistemas de transmisión de televisión digital (DTV), que reemplazaron a la televisión analógica más antigua en una transición que comenzó en 2006, utilizan compresión de imágenes y modulación digital de alta eficiencia como OFDM y 8VSB para transmitir video HDTV dentro de un ancho de banda más pequeño que los antiguos canales analógicos, ahorrando espacio escaso en el espectro radioeléctrico . Por lo tanto, cada uno de los canales de RF analógicos de 6 MHz ahora transporta hasta 7 canales DTV; estos se denominan "canales virtuales". Los receptores de televisión digital tienen un comportamiento diferente en presencia de mala recepción o ruido que la televisión analógica, llamado efecto " acantilado digital ". A diferencia de la televisión analógica, en la que la recepción cada vez más pobre hace que la calidad de la imagen se degrade gradualmente, en la televisión digital la calidad de la imagen no se ve afectada por la mala recepción hasta que, en un momento determinado, el receptor deja de funcionar y la pantalla se vuelve negra. [76] [77]
Televisión terrestre , televisión por aire (OTA) o televisión abierta , la tecnología de televisión más antigua, es la transmisión de señales de televisión desde estaciones de televisión terrestres a receptores de televisión (llamados televisores o TV) en los hogares de los espectadores. La transmisión de televisión terrestre utiliza las bandas de 41 a 88 MHz ( banda baja de VHF o Banda I , que transporta los canales de RF 1 a 6), 174 a 240 MHz (banda alta de VHF o Banda III ; que transporta los canales de RF 7 a 13) y 470 a 614 MHz ( banda IV y banda V de UHF ; que transporta los canales de RF 14 y superiores). [78] Los límites de frecuencia exactos varían en diferentes países. [79] La propagación es por línea de visión , por lo que la recepción está limitada por el horizonte visual. [80] En los EE. UU., la potencia radiada efectiva (ERP) de los transmisores de televisión está regulada de acuerdo con la altura sobre el terreno promedio . [81] Los espectadores más cercanos al transmisor de televisión pueden utilizar una simple antena dipolo de "orejas de conejo" en la parte superior del televisor, pero los espectadores en áreas de recepción periféricas generalmente requieren una antena exterior montada en el techo para obtener una recepción adecuada. [80]
(izquierda) Diagrama que muestra cómo funciona una red de televisión por satélite. (centro) El Super Dish 121 de DISH Network montado en un tejado. (derecha) Un bloque de pisos residencial con antenas parabólicas para televisión
Una radio bidireccional es un transceptor de audio , un receptor y transmisor en el mismo dispositivo, utilizado para la comunicación de voz bidireccional de persona a persona con otros usuarios con radios similares. Un término más antiguo para este modo de comunicación es radiotelefonía . El enlace de radio puede ser semidúplex , como en un walkie-talkie , utilizando un solo canal de radio en el que solo una radio puede transmitir a la vez, por lo que diferentes usuarios se turnan para hablar, presionando un botón " pulsar para hablar " en su radio que apaga el receptor y enciende el transmisor. O el enlace de radio puede ser dúplex completo , un enlace bidireccional que utiliza dos canales de radio para que ambas personas puedan hablar al mismo tiempo, como en un teléfono celular. [87]
Teléfono celular: teléfono inalámbrico portátil que está conectado a la red telefónica mediante señales de radio intercambiadas con una antena local en una estación base celular ( torre celular ). [88] El área de servicio cubierta por el proveedor está dividida en pequeñas áreas geográficas llamadas "celdas", cada una servida por una antena de estación base separada y un transceptor multicanal . Todos los teléfonos celulares en una celda se comunican con esta antena en canales de frecuencia separados, asignados de un grupo común de frecuencias. El propósito de la organización celular es conservar el ancho de banda de radio mediante la reutilización de frecuencias . Se utilizan transmisores de baja potencia para que las ondas de radio utilizadas en una celda no viajen mucho más allá de la celda, lo que permite que las mismas frecuencias se reutilicen en celdas separadas geográficamente. Cuando un usuario que lleva un teléfono celular cruza de una celda a otra, su teléfono se "transfiere" automáticamente sin problemas a la nueva antena y se le asignan nuevas frecuencias. Los teléfonos celulares tienen un transceptor digital full duplex altamente automatizado que utiliza modulación OFDM utilizando dos canales de radio digitales, cada uno llevando una dirección de la conversación bidireccional, así como un canal de control que maneja las llamadas de marcación y "transfiere" el teléfono a otra torre celular. Las redes 2G , 3G y 4G más antiguas utilizan frecuencias en el rango UHF y de microondas bajo, entre 700 MHz y 3 GHz. El transmisor del teléfono celular ajusta su potencia de salida para utilizar la potencia mínima necesaria para comunicarse con la torre celular; 0,6 W cuando está cerca de la torre, hasta 3 W cuando está más lejos. La potencia del transmisor del canal de la torre celular es de 50 W. Los teléfonos de la generación actual, llamados teléfonos inteligentes , tienen muchas funciones además de hacer llamadas telefónicas y, por lo tanto, tienen varios otros transmisores y receptores de radio que los conectan con otras redes: generalmente un módem Wi-Fi , un módem Bluetooth y un receptor GPS . [89] [90] [91]
(Izquierda) Antena de ondas milimétricas 5G, Alemania (derecha) Smartphones 5G polacos
Red celular 5G : redes celulares de próxima generación que comenzaron a implementarse en 2019. Su principal ventaja es que las velocidades de datos son mucho más altas que las redes celulares anteriores, hasta 10 Gbps ; 100 veces más rápido que la tecnología celular anterior, 4G LTE . Las velocidades de datos más altas se logran en parte mediante el uso de ondas de radio de mayor frecuencia, en la banda de microondas más alta de 3 a 6 GHz, y la banda de ondas milimétricas , alrededor de 28 y 39 GHz. Dado que estas frecuencias tienen un alcance más corto que las bandas de telefonía celular anteriores, las celdas serán más pequeñas que las celdas de las redes celulares anteriores, que podrían tener muchos kilómetros de ancho. Las celdas de ondas milimétricas solo tendrán unas pocas cuadras de largo y, en lugar de una estación base celular y una torre de antena, tendrán muchas antenas pequeñas unidas a postes de servicios públicos y edificios. [92] [93]
Teléfonos satelitales, mostrando las grandes antenas necesarias para comunicarse con el satélite.
Teléfono satelital ( satphone ): un teléfono inalámbrico portátil similar a un teléfono celular, conectado a la red telefónica a través de un enlace de radio a un satélite de comunicaciones en órbita en lugar de a través de torres celulares . Son más caros que los teléfonos celulares; pero su ventaja es que, a diferencia de un teléfono celular que está limitado a áreas cubiertas por torres celulares, los teléfonos satelitales se pueden usar en la mayor parte o en toda el área geográfica de la Tierra. Para que el teléfono se comunique con un satélite utilizando una pequeña antena omnidireccional , los sistemas de primera generación utilizan satélites en órbita terrestre baja , aproximadamente a 400–700 millas (640–1,100 km) sobre la superficie. Con un período orbital de aproximadamente 100 minutos, un satélite solo puede estar a la vista de un teléfono durante aproximadamente 4 a 15 minutos, por lo que la llamada se "transfiere" a otro satélite cuando uno pasa más allá del horizonte local. Por lo tanto, se requieren grandes cantidades de satélites, aproximadamente entre 40 y 70, para garantizar que al menos un satélite esté a la vista de forma continua desde cada punto de la Tierra. Otros sistemas de telefonía por satélite utilizan satélites en órbita geoestacionaria en los que sólo se necesitan unos pocos satélites, pero estos no pueden utilizarse en latitudes altas debido a la interferencia terrestre. [94] [95]
Teléfono inalámbrico : teléfono fijo en el que el auricular es portátil y se comunica con el resto del teléfono mediante un enlace de radio dúplex completo de corto alcance , en lugar de estar conectado mediante un cable. Tanto el auricular como la estación base tienen transceptores de radio de baja potencia que manejan el enlace de radio bidireccional de corto alcance. [96] A partir de 2022 [actualizar], los teléfonos inalámbricos en la mayoría de las naciones utilizan el estándar de transmisión DECT . [97]
Motorola SCR-536 de la Segunda Guerra Mundial, el primer walkie-talkie
Sistema de radio móvil terrestre : transceptores de radio semidúplex portátiles o móviles de corto alcance que operan en la banda VHF o UHF y que se pueden utilizar sin licencia. A menudo se instalan en vehículos, y las unidades móviles se comunican con un despachador en una estación base fija . Los servicios de primera respuesta , la policía, los bomberos, las ambulancias y los servicios de emergencia y otros servicios gubernamentales utilizan sistemas especiales con frecuencias reservadas. Otros sistemas están diseñados para su uso por empresas comerciales, como los servicios de taxi y de entrega. Los sistemas VHF utilizan canales en el rango de 30 a 50 MHz y 150 a 172 MHz. Los sistemas UHF utilizan la banda de 450 a 470 MHz y, en algunas áreas, el rango de 470 a 512 MHz. En general, los sistemas VHF tienen un alcance mayor que los UHF, pero requieren antenas más largas. Se utiliza principalmente la modulación AM o FM, pero se están introduciendo sistemas digitales como DMR . La potencia radiada suele estar limitada a 4 vatios. [88] Estos sistemas tienen un alcance bastante limitado, normalmente de 3 a 20 millas (4,8 a 32 km) dependiendo del terreno. Los repetidores instalados en edificios altos, colinas o picos de montañas se utilizan a menudo para aumentar el alcance cuando se desea cubrir un área más grande que la línea de visión. Ejemplos de sistemas móviles terrestres son CB , FRS , GMRS y MURS . Los sistemas digitales modernos, llamados sistemas de radio troncalizados , tienen un sistema de gestión de canales digitales que utiliza un canal de control que asigna automáticamente canales de frecuencia a grupos de usuarios. [98]
Bombero usando un walkie-talkie moderno
Walkie-talkie : radio bidireccional semidúplex portátil, accionado por batería, que se utiliza en sistemas de radio móviles terrestres. [99]
Radio marina : transceptores de alcance medio en los barcos, utilizados para la comunicación de barco a barco, barco a aire y barco a tierra con los capitanes de puerto. Utilizan canales FM entre 156 y 174 MHz en la banda VHF con hasta 25 vatios de potencia, lo que les da un alcance de aproximadamente 60 millas (97 km). Algunos canales son semidúplex y otros son dúplex completo , para ser compatibles con la red telefónica, para permitir a los usuarios realizar llamadas telefónicas a través de un operador marino. [104]
Radioaficionado : radio bidireccional semidúplex de largo alcance utilizada por aficionados con fines no comerciales: contactos de radio recreativos con otros aficionados, comunicación de emergencia voluntaria durante desastres, concursos y experimentación. Los radioaficionados deben tener una licencia de radioaficionado y se les da un indicativo único que debe usarse como identificador en las transmisiones. La radioafición está restringida a pequeñas bandas de frecuencia, las bandas de radioaficionados , espaciadas a lo largo del espectro de radio a partir de 136 kHz. Dentro de estas bandas, a los aficionados se les permite la libertad de transmitir en cualquier frecuencia utilizando una amplia variedad de métodos de modulación de voz, junto con otras formas de comunicación, como la televisión de barrido lento (SSTV) y el radioteletipo (RTTY). Además, los aficionados se encuentran entre los únicos operadores de radio que aún utilizan la radiotelegrafía en código Morse . [105]
Comunicación de voz unidireccional
La transmisión de radio unidireccional se denomina simplex .
Monitor de bebé : un dispositivo que se coloca junto a la cuna para los padres de los bebés y que transmite los sonidos del bebé a un receptor que llevan los padres, para que puedan controlar al bebé mientras están en otras partes de la casa. [106] Las bandas de ondas utilizadas varían según la región, pero los monitores de bebé analógicos generalmente transmiten con baja potencia en las bandas de ondas de 16, 9,3–49,9 o 900 MHz, y los sistemas digitales en la banda de ondas de 2,4 GHz. [ 107] Muchos monitores de bebé tienen canales dúplex para que los padres puedan hablar con el bebé y cámaras para mostrar videos del bebé. [108]
Micrófono inalámbrico : un micrófono alimentado por batería con un transmisor de corto alcance que se sostiene con la mano o se usa en el cuerpo de una persona y que transmite su sonido por radio a una unidad receptora cercana conectada a un sistema de sonido. Los micrófonos inalámbricos son utilizados por oradores públicos, artistas y personalidades de la televisión para poder moverse libremente sin tener que arrastrar un cable de micrófono. Tradicionalmente, los modelos analógicos transmiten en FM en partes no utilizadas de las frecuencias de transmisión de televisión en las bandas VHF y UHF. Algunos modelos transmiten en dos canales de frecuencia para la recepción de diversidad para evitar que los nulos interrumpan la transmisión mientras el artista se mueve. [109] Algunos modelos utilizan modulación digital para evitar la recepción no autorizada por parte de receptores de radio escáner; estos operan en las bandas ISM de 900 MHz, 2,4 GHz o 6 GHz . [110] Las normas europeas también admiten sistemas de audio multicanal inalámbricos (WMAS) que pueden soportar mejor el uso de una gran cantidad de micrófonos inalámbricos en un solo evento o lugar. A partir de 2021 [actualizar], los reguladores estadounidenses estaban considerando adoptar reglas para WMAS. [111]
Comunicación de datos
Redes inalámbricas : enlaces de radio automatizados que transmiten datos digitales entre computadoras y otros dispositivos inalámbricos mediante ondas de radio, conectando los dispositivos entre sí de manera transparente en una red informática . Las redes informáticas pueden transmitir cualquier forma de datos: además de correo electrónico y páginas web, también transmiten llamadas telefónicas ( VoIP ), audio y contenido de video (llamado streaming multimedia ). La seguridad es un problema mayor para las redes inalámbricas que para las redes cableadas, ya que cualquier persona cercana con un módem inalámbrico puede acceder a la señal e intentar iniciar sesión. Las señales de radio de las redes inalámbricas están encriptadas mediante WPA . [112]
Enrutador WAN inalámbrico de barrio en poste telefónico
WAN inalámbrica (red de área amplia inalámbrica, WWAN): una variedad de tecnologías que proporcionan acceso inalámbrico a Internet en un área más amplia que las redes Wi-Fi, desde un edificio de oficinas hasta un campus, un vecindario o una ciudad entera. Las tecnologías más comunes utilizadas son: módems celulares , que intercambian datos informáticos por radio con torres de telefonía celular ; acceso a Internet por satélite; y frecuencias más bajas en la banda UHF, que tienen un alcance mayor que las frecuencias Wi-Fi. Dado que las redes WWAN son mucho más caras y complicadas de administrar que las redes Wi-Fi, su uso hasta ahora generalmente se ha limitado a redes privadas operadas por grandes corporaciones. [113]
Bluetooth – una interfaz inalámbrica de muy corto alcance en un dispositivo inalámbrico portátil que se utiliza como sustituto de una conexión por cable o alambre, principalmente para intercambiar archivos entre dispositivos portátiles y conectar teléfonos celulares y reproductores de música con auriculares inalámbricos . En el modo más utilizado, la potencia de transmisión está limitada a 1 milivatio, lo que le da un alcance muy corto de hasta 10 m (30 pies). El sistema utiliza transmisión de espectro ensanchado por salto de frecuencia , en la que los paquetes de datos sucesivos se transmiten en un orden pseudoaleatorio en uno de los 79 canales Bluetooth de 1 MHz entre 2,4 y 2,83 GHz en la banda ISM . Esto permite que las redes Bluetooth funcionen en presencia de ruido , otros dispositivos inalámbricos y otras redes Bluetooth que utilicen las mismas frecuencias, ya que la posibilidad de que otro dispositivo intente transmitir en la misma frecuencia al mismo tiempo que el módem Bluetooth es baja. En el caso de tal "colisión", el módem Bluetooth simplemente retransmite el paquete de datos en otra frecuencia. [114]
Radio por paquetes : red inalámbrica ad hoc de larga distancia entre pares en la que se intercambian paquetes de datos entre módems de radio controlados por ordenador (transmisores/receptores) denominados nodos, que pueden estar separados por kilómetros y ser móviles. Cada nodo sólo se comunica con los nodos vecinos, por lo que los paquetes de datos pasan de un nodo a otro hasta que llegan a su destino utilizando el protocolo de red X.25 . Los sistemas de radio por paquetes son utilizados en un grado limitado por las empresas de telecomunicaciones comerciales y por la comunidad de radioaficionados . [115]
Mensajería de texto (mensajería de texto): es un servicio de los teléfonos celulares que permite al usuario escribir un mensaje alfanumérico breve y enviarlo a otro número de teléfono, y el texto se muestra en la pantalla del teléfono del destinatario. Se basa en el Servicio de mensajes cortos (SMS), que transmite utilizando el ancho de banda libre en el canal de radio de control utilizado por los teléfonos celulares para manejar funciones en segundo plano como la marcación y las transferencias de llamadas. Debido a las limitaciones técnicas del canal, los mensajes de texto están limitados a 160 caracteres alfanuméricos. [116]
Antenas parabólicas de enlaces de retransmisión de microondas en torres en Australia
Relé de microondas : enlace de transmisión de datos digitales punto a punto de gran ancho de banda y larga distancia que consiste en un transmisor de microondas conectado a una antena parabólica que transmite un haz de microondas a otra antena parabólica y receptor. Dado que las antenas deben estar en línea de visión, las distancias están limitadas por el horizonte visual a 30-40 millas (48-64 km). Los enlaces de microondas se utilizan para datos comerciales privados, redes informáticas de área amplia (WAN) y por compañías telefónicas para transmitir llamadas telefónicas de larga distancia y señales de televisión entre ciudades. [117] [118]
Telemetría : transmisión automatizada unidireccional (simplex) de mediciones y datos de operación desde un proceso o dispositivo remoto a un receptor para monitoreo. La telemetría se utiliza para el monitoreo en vuelo de misiles, drones, satélites y radiosondas de globos meteorológicos , el envío de datos científicos a la Tierra desde naves espaciales interplanetarias, la comunicación con sensores biomédicos electrónicos implantados en el cuerpo humano y el registro de pozos . A menudo se transmiten múltiples canales de datos utilizando multiplexación por división de frecuencia o multiplexación por división de tiempo . [119] La telemetría está comenzando a usarse en aplicaciones de consumo como:
Cobro electrónico de peajes – en las carreteras de peaje , una alternativa al cobro manual de peajes en una cabina de peaje, en la que un transpondedor en un vehículo, cuando se activa mediante un transmisor al costado de la carretera, transmite una señal a un receptor al costado de la carretera para registrar el uso de la carretera por parte del vehículo, lo que permite facturar el peaje al propietario. [121]
Etiqueta RFID de un DVD
Identificación por radiofrecuencia (RFID): etiquetas de identificación que contienen un pequeño transpondedor de radio ( receptor y transmisor ) que se adhieren a la mercancía. Cuando recibe un pulso de interrogación de ondas de radio de una unidad de lectura cercana, la etiqueta transmite de vuelta un número de identificación, que puede usarse para inventariar las mercancías. Las etiquetas pasivas, el tipo más común, tienen un chip alimentado por la energía de radio recibida del lector, rectificada por un diodo, y pueden ser tan pequeñas como un grano de arroz. Se incorporan en productos, ropa, vagones de ferrocarril, libros de bibliotecas, etiquetas de equipaje de aerolíneas y se implantan debajo de la piel en mascotas y ganado ( implante de microchip ) e incluso en personas. Las preocupaciones sobre la privacidad se han abordado con etiquetas que utilizan señales cifradas y autentican al lector antes de responder. Las etiquetas pasivas utilizan bandas ISM de 125-134 kHz, 13, 900 MHz y 2,4 y 5 GHz y tienen un alcance corto. Las etiquetas activas, alimentadas por una batería, son más grandes pero pueden transmitir una señal más fuerte, lo que les da un alcance de cientos de metros. [122]
Comunicación submarina : cuando están sumergidos, los submarinos quedan aislados de toda comunicación de radio ordinaria con sus autoridades de mando militar por el agua de mar conductora. Sin embargo, las ondas de radio de frecuencias suficientemente bajas, en las bandas VLF (30 a 3 kHz) y ELF (por debajo de 3 kHz) pueden penetrar el agua de mar. Las armadas operan grandes estaciones de transmisión costeras con una potencia de salida en el rango de los megavatios para transmitir mensajes cifrados a sus submarinos en los océanos del mundo. Debido al pequeño ancho de banda, estos sistemas no pueden transmitir voz, solo mensajes de texto a una velocidad de datos lenta. El canal de comunicación es unidireccional, ya que las largas antenas necesarias para transmitir ondas VLF o ELF no caben en un submarino. Los transmisores VLF utilizan antenas de cable de kilómetros de largo como las antenas de paraguas . Algunas naciones utilizan transmisores ELF que operan alrededor de 80 Hz, que pueden comunicarse con submarinos a profundidades menores. Estos utilizan antenas aún más grandes llamadas dipolos terrestres , que consisten en dos conexiones a tierra (Tierra) separadas entre 23 y 60 km (14 a 37 millas), conectadas por líneas de transmisión aéreas a un transmisor de una planta de energía. [123] [124]
Se trata de una comunicación por radio entre una nave espacial y una estación terrestre en la Tierra, u otra nave espacial. La comunicación con naves espaciales implica las distancias de transmisión más largas de todos los enlaces de radio, hasta miles de millones de kilómetros para naves espaciales interplanetarias . Para recibir las señales débiles de naves espaciales distantes, las estaciones terrestres satelitales utilizan grandes antenas parabólicas de "plato" de hasta 25 metros (82 pies) de diámetro y receptores extremadamente sensibles. Se utilizan altas frecuencias en la banda de microondas , ya que las microondas pasan a través de la ionosfera sin refracción , y en frecuencias de microondas las antenas de alta ganancia necesarias para enfocar la energía de radio en un haz estrecho apuntado al receptor son pequeñas y ocupan un mínimo de espacio en un satélite. Se asignan porciones de la banda UHF , L , C , S , k u y k a para la comunicación espacial. Un enlace de radio que transmite datos desde la superficie de la Tierra a una nave espacial se denomina enlace ascendente , mientras que un enlace que transmite datos desde la nave espacial a la tierra se denomina enlace descendente. [126]
Satélite de comunicaciones perteneciente a Azerbaiyán
Satélite de comunicaciones : satélite artificial utilizado como relé de telecomunicaciones para transmitir datos entre puntos muy separados de la Tierra. Se utilizan porque las microondas que se utilizan para las telecomunicaciones viajan por línea de visión y, por lo tanto, no pueden propagarse alrededor de la curva de la Tierra. Al 1 de enero de 2021 [actualizar], había 2224 satélites de comunicaciones en órbita terrestre. [127] La mayoría están en órbita geoestacionaria a 22 200 millas (35 700 km) sobre el ecuador , de modo que el satélite parece estacionario en el mismo punto del cielo, por lo que las antenas parabólicas de las estaciones terrestres pueden apuntar permanentemente a ese punto y no tienen que moverse para rastrearlo. En una estación terrestre de satélite, un transmisor de microondas y una gran antena parabólica transmiten un haz de enlace ascendente de microondas al satélite. La señal de enlace ascendente transporta muchos canales de tráfico de telecomunicaciones, como llamadas telefónicas de larga distancia, programas de televisión y señales de Internet, utilizando una técnica llamada multiplexación por división de frecuencia (FDM). En el satélite, un transpondedor recibe la señal, la traduce a una frecuencia de enlace descendente diferente para evitar que interfiera con la señal de enlace ascendente y la retransmite a otra estación terrestre, que puede estar muy alejada de la primera. Allí, la señal de enlace descendente se demodula y el tráfico de telecomunicaciones que transporta se envía a sus destinos locales a través de líneas terrestres. Los satélites de comunicaciones suelen tener varias docenas de transpondedores en diferentes frecuencias, que son alquilados por diferentes usuarios. [128]
Satélite de transmisión directa : satélite de comunicaciones geoestacionario que transmite programación minorista directamente a receptores en los hogares y vehículos de los suscriptores en la Tierra, en sistemas de radio y televisión por satélite. Utiliza una potencia de transmisión mayor que otros satélites de comunicaciones, para permitir que los consumidores reciban la señal con una antena pequeña y discreta. Por ejemplo, la televisión por satélite utiliza frecuencias de enlace descendente de 12,2 a 12,7 GHz en la banda ku transmitida a 100 a 250 vatios, que pueden recibirse mediante antenas parabólicas relativamente pequeñas de 43 a 80 cm (17 a 31 pulgadas) montadas en el exterior de los edificios. [ 129]
Radar
Un controlador de tráfico aéreo militar en un portaaviones de la Marina de los EE. UU. monitorea las aeronaves en la pantalla del radar
El radar es un método de radiolocalización utilizado para localizar y rastrear aeronaves, naves espaciales, misiles, barcos, vehículos y también para mapear patrones climáticos y terrenos. Un conjunto de radar consta de un transmisor y un receptor. [130] [131] El transmisor emite un haz estrecho de ondas de radio que se desplaza por el espacio circundante. Cuando el haz incide en un objeto objetivo, las ondas de radio se reflejan de vuelta al receptor. La dirección del haz revela la ubicación del objeto. Dado que las ondas de radio viajan a una velocidad constante cercana a la velocidad de la luz , midiendo el breve retraso de tiempo entre el pulso saliente y el "eco" recibido, se puede calcular la distancia hasta el objetivo. Los objetivos a menudo se muestran gráficamente en una pantalla de mapa llamada pantalla de radar . El radar Doppler puede medir la velocidad de un objeto en movimiento, midiendo el cambio en la frecuencia de las ondas de radio de retorno debido al efecto Doppler . [132]
Los radares utilizan principalmente frecuencias altas en las bandas de microondas , porque estas frecuencias crean fuertes reflejos en objetos del tamaño de vehículos y pueden enfocarse en haces estrechos con antenas compactas. [131] Las antenas parabólicas (parabólicas) son ampliamente utilizadas. En la mayoría de los radares, la antena transmisora también sirve como antena receptora; esto se llama radar monoestático . Un radar que utiliza antenas transmisoras y receptoras separadas se llama radar biestático . [133]
Antena de radar de vigilancia aeroportuaria ASR-8. Gira una vez cada 4,8 segundos. La antena rectangular de la parte superior es el radar secundario.
Radar de vigilancia de aeropuertos – En aviación, el radar es la herramienta principal del control del tráfico aéreo . Una antena parabólica giratoria barre un haz de microondas en forma de abanico vertical alrededor del espacio aéreo y el conjunto de radar muestra la ubicación de las aeronaves como "puntos" de luz en una pantalla llamada pantalla de radar. El radar de aeropuerto opera a 2,7 – 2,9 GHz en la banda S de microondas . En los aeropuertos grandes, la imagen del radar se muestra en varias pantallas en una sala de operaciones llamada TRACON ( Control de aproximación por radar de terminal ), donde los controladores de tráfico aéreo dirigen las aeronaves por radio para mantener una separación segura entre ellas. [134]
Radar de vigilancia secundaria : las aeronaves llevan transpondedores de radar , transceptores que, cuando se activan con la señal de radar entrante, transmiten una señal de microondas de retorno. Esto hace que la aeronave aparezca con más fuerza en la pantalla del radar. El radar que activa el transpondedor y recibe el haz de retorno, generalmente montado en la parte superior de la antena parabólica del radar primario, se denomina radar de vigilancia secundaria . Dado que el radar no puede medir la altitud de una aeronave con precisión, el transpondedor también transmite de vuelta la altitud de la aeronave medida por su altímetro y un número de identificación que identifica a la aeronave, que se muestra en la pantalla del radar. [135]
Contramedidas electrónicas (ECM): sistemas electrónicos de defensa militar diseñados para degradar la eficacia del radar enemigo o engañarlo con información falsa para evitar que los enemigos localicen fuerzas locales. Suelen consistir en potentes transmisores de microondas que pueden imitar las señales del radar enemigo para crear indicaciones falsas de objetivos en las pantallas del radar enemigo. [136]
Antena de radar marino giratoria en un barco
Radar marino : radar de banda S o X que se utiliza en los barcos para detectar barcos cercanos y obstrucciones como puentes. [137] Una antena giratoria barre un haz de microondas en forma de abanico vertical alrededor de la superficie del agua que rodea la embarcación hasta el horizonte.
Radar de matriz en fase : un conjunto de radar que utiliza una matriz en fase , una antena controlada por computadora que puede dirigir el haz del radar rápidamente para apuntar en diferentes direcciones sin mover la antena. Los radares de matriz en fase fueron desarrollados por los militares para rastrear misiles y aviones de rápido movimiento. Se utilizan ampliamente en equipos militares y ahora se están extendiendo a aplicaciones civiles. [139]
Radar de apertura sintética (SAR): un radar aerotransportado especializado que produce un mapa de alta resolución del terreno. El radar está montado en una aeronave o nave espacial y la antena del radar irradia un haz de ondas de radio en forma lateral y en ángulo recto con respecto a la dirección del movimiento, hacia el suelo. Al procesar la señal de retorno del radar, se utiliza el movimiento del vehículo para simular una antena grande, lo que le da al radar una resolución más alta. [140]
Radar de penetración terrestre : instrumento de radar especializado que se desplaza sobre la superficie del suelo en un carro y transmite un haz de ondas de radio hacia el suelo, lo que produce una imagen de los objetos subterráneos. Se utilizan frecuencias de entre 100 MHz y unos pocos GHz. Dado que las ondas de radio no pueden penetrar muy profundamente en la tierra, la profundidad del GPR está limitada a unos 15 metros. [141]
Sistema de prevención de colisiones : un radar de corto alcance o sistema LIDAR en un automóvil o vehículo que detecta si el vehículo está a punto de colisionar con un objeto y aplica los frenos para evitar la colisión. [142]
Espoleta de radar : detonador de una bomba aérea que utiliza un altímetro de radar para medir la altura de la bomba sobre el suelo cuando cae y la detona a una determinada altitud. [143]
Radiolocalización
La radiolocalización es un término genérico que abarca una variedad de técnicas que utilizan ondas de radio para encontrar la ubicación de objetos o para la navegación. [144]
Un iPhone antiguo con su aplicación de navegación GPS en uso.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS) – El sistema de navegación por satélite más utilizado, mantenido por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, que utiliza una constelación de 31 satélites en órbita terrestre baja . Las órbitas de los satélites están distribuidas de modo que en cualquier momento al menos cuatro satélites estén sobre el horizonte sobre cada punto de la Tierra. Cada satélite tiene un reloj atómico a bordo y transmite una señal de radio continua que contiene una señal horaria precisa, así como su posición actual. Se utilizan dos frecuencias, 1,2276 y 1,57542 GHz. Dado que la velocidad de las ondas de radio es prácticamente constante, el retraso de la señal de radio de un satélite es proporcional a la distancia del receptor al satélite. Al recibir las señales de al menos cuatro satélites, un receptor GPS puede calcular su posición en la Tierra comparando el tiempo de llegada de las señales de radio. Dado que la posición de cada satélite se conoce con precisión en cualquier momento dado, a partir del retraso se puede calcular la posición del receptor mediante un microprocesador en el receptor. La posición se puede mostrar como latitud y longitud, o como un marcador en un mapa electrónico. Los receptores GPS están incorporados en casi todos los teléfonos móviles y en vehículos como automóviles, aviones y barcos, y se utilizan para guiar drones , misiles , misiles de crucero e incluso proyectiles de artillería a su objetivo, y se producen receptores GPS portátiles para excursionistas y militares. [146] [147]
Radiobaliza : transmisor de radio terrestre de ubicación fija que transmite una señal de radio continua utilizada por aeronaves y barcos para la navegación . La ubicación de las balizas se traza en los mapas de navegación utilizados por aeronaves y barcos. [148]
Antena VOR, Pekín
Radiofaro omnidireccional VHF (VOR) – un sistema mundial de radionavegación de aeronaves que consiste en radiobalizas terrestres fijas que transmiten entre 108,00 y 117,95 MHz en la banda de frecuencias muy altas (VHF). [149] [150] Un instrumento de navegación automático en la aeronave muestra un rumbo a un transmisor VOR cercano. Una baliza VOR transmite dos señales simultáneamente en diferentes frecuencias. Una antena direccional transmite un haz de ondas de radio que gira como un faro a una velocidad fija, 30 veces por segundo. Cuando el haz direccional está orientado hacia el norte, una antena omnidireccional transmite un pulso. Al medir la diferencia de fase de estas dos señales, una aeronave puede determinar su rumbo (o "radial") desde la estación con precisión. Al tomar un rumbo en dos balizas VOR, una aeronave puede determinar su posición (llamada "fijo") con una precisión de aproximadamente 90 metros (300 pies). La mayoría de las balizas VOR también tienen una capacidad de medición de distancia, llamada equipo de medición de distancia (DME); Estos se denominan VOR/DME. La aeronave transmite una señal de radio a la baliza VOR/DME y un transpondedor transmite una señal de retorno. A partir del retardo de propagación entre la señal transmitida y la recibida, la aeronave puede calcular su distancia a la baliza. Esto permite que una aeronave determine su ubicación "fija" a partir de una sola baliza VOR. Dado que se utilizan frecuencias VHF de línea de visión, las balizas VOR tienen un alcance de aproximadamente 200 millas para aeronaves a altitud de crucero. TACAN es un sistema de radiobaliza militar similar que transmite en 962–1213 MHz, y una baliza combinada VOR y TACAN se denomina VORTAC . El número de balizas VOR está disminuyendo a medida que la aviación cambia al sistema RNAV que se basa en la navegación por satélite del Sistema de Posicionamiento Global . [151] [152]
Sistema de aterrizaje instrumental (ILS): ayuda a la navegación por radio de corto alcance en los aeropuertos que guía a las aeronaves que aterrizan en condiciones de baja visibilidad. Consta de varias antenas al final de cada pista que irradian dos haces de ondas de radio a lo largo de la aproximación a la pista: el localizador (frecuencia de 108 a 111,95 MHz), que proporciona orientación horizontal, una línea de rumbo para mantener la aeronave centrada en la pista, y la senda de planeo (329,15 a 335 MHz) para la orientación vertical, para mantener la aeronave descendiendo a la velocidad adecuada para un aterrizaje suave en el punto correcto de la pista. Cada aeronave tiene un instrumento receptor y una antena que recibe los haces, con un indicador para indicar al piloto si está en la aproximación horizontal y vertical correcta. Los haces ILS se pueden recibir a una distancia de al menos 15 millas y tienen una potencia radiada de 25 vatios. Los sistemas ILS en los aeropuertos están siendo reemplazados por sistemas que utilizan navegación por satélite. [134] [153]
Radiobalizas no direccionales (NDB) – Radiobalizas fijas antiguas utilizadas antes del sistema VOR que transmiten una señal simple en todas las direcciones para que las aeronaves o los barcos las utilicen para la radiogoniometría . Las aeronaves utilizan receptores de radiogoniómetro automático (ADF) que utilizan una antena direccional para determinar el rumbo de la radiobaliza. Al tomar rumbos en dos radiobalizas pueden determinar su posición. Las NDB utilizan frecuencias entre 190 y 1750 kHz en las bandas LF y MF que se propagan más allá del horizonte como ondas terrestres u ondas ionosféricas mucho más lejos que las radiobalizas VOR. Transmiten un indicativo que consta de una a tres letras del código Morse como identificador. [154]
Radiobaliza de localización de emergencia EPIRB en un barco
Radiobaliza de emergencia : transmisor de radio portátil alimentado por batería que se utiliza en situaciones de emergencia para localizar aviones, embarcaciones y personas en peligro y que necesitan un rescate inmediato. Existen varios tipos de radiobalizas de emergencia que se llevan en aeronaves, barcos, vehículos, excursionistas y esquiadores de fondo. En caso de emergencia, como si la aeronave se estrella, el barco se hunde o un excursionista se pierde, el transmisor se despliega y comienza a transmitir una señal de radio continua, que es utilizada por los equipos de búsqueda y rescate para encontrar rápidamente la emergencia y prestar ayuda. Las radiobalizas de localización de emergencia (EPIRB) de última generación contienen un receptor GPS y transmiten a los equipos de rescate su ubicación exacta en un radio de 20 metros. [155]
Cospas-Sarsat – un consorcio humanitario internacional de agencias gubernamentales y privadas que actúa como despachador de operaciones de búsqueda y rescate . Opera una red de aproximadamente 47 satélites que llevan receptores de radio, que detectan señales de socorro de radiobalizas de localización de emergencia en cualquier parte de la Tierra que transmiten en la frecuencia internacional de socorro Cospas de 406 MHz. Los satélites calculan la ubicación geográfica de la radiobaliza con un margen de 2 km midiendo el desplazamiento de frecuencia Doppler de las ondas de radio debido al movimiento relativo del transmisor y el satélite, y transmiten rápidamente la información a las organizaciones locales de primera respuesta correspondientes , que realizan la búsqueda y el rescate . [156] [157]
Oficial de vida silvestre rastrea a un puma con radiotransmisor
Radiogoniometría (RDF): es una técnica general, utilizada desde principios del siglo XX, que consiste en utilizar receptores de radio especializados con antenas direccionales (receptores RDF) para determinar el rumbo exacto de una señal de radio y así determinar la ubicación del transmisor. La ubicación de un transmisor terrestre se puede determinar mediante una simple triangulación a partir de los rumbos tomados por dos estaciones RDF separadas geográficamente, ya que el punto donde se cruzan las dos líneas de rumbo se denomina "punto de referencia". Las fuerzas militares utilizan RDF para localizar a las fuerzas enemigas mediante sus transmisiones de radio tácticas, los servicios de contrainteligencia lo utilizan para localizar transmisores clandestinos utilizados por agentes de espionaje y los gobiernos lo utilizan para localizar transmisores sin licencia o fuentes de interferencia. Los receptores RDF más antiguos utilizaban antenas de bucle giratorias , la antena se gira hasta que la intensidad de la señal de radio es más débil, lo que indica que el transmisor está en uno de los dos nulos de la antena. Los nulos se utilizan porque son más agudos que los lóbulos de la antena (máximos). Los receptores más modernos utilizan antenas de matriz en fase que tienen una resolución angular mucho mayor. [158] [159]
El control remoto por radio es el uso de señales de control electrónico enviadas por ondas de radio desde un transmisor para controlar las acciones de un dispositivo en una ubicación remota. Los sistemas de control remoto también pueden incluir canales de telemetría en la otra dirección, utilizados para transmitir información en tiempo real sobre el estado del dispositivo a la estación de control. Las naves espaciales no tripuladas son un ejemplo de máquinas controladas a distancia, controladas por comandos transmitidos por estaciones terrestres satelitales . La mayoría de los controles remotos portátiles utilizados para controlar productos electrónicos de consumo como televisores o reproductores de DVD en realidad funcionan con luz infrarroja en lugar de ondas de radio, por lo que no son ejemplos de control remoto por radio. Un problema de seguridad con los sistemas de control remoto es la suplantación de identidad , en la que una persona no autorizada transmite una imitación de la señal de control para tomar el control del dispositivo. [161] Ejemplos de control remoto por radio:
Vehículo aéreo no tripulado (UAV, dron): un dron es una aeronave sin piloto a bordo, pilotada por control remoto por un piloto en otra ubicación, generalmente en una estación de pilotaje en tierra. Los militares los utilizan para reconocimiento y ataque terrestre, y más recientemente, el mundo civil para informes de noticias y fotografía aérea . El piloto utiliza controles de la aeronave como un joystick o un volante, que crean señales de control que se transmiten al dron por radio para controlar las superficies de vuelo y el motor. Un sistema de telemetría transmite una imagen de video desde una cámara en el dron para permitir que el piloto vea hacia dónde se dirige la aeronave, y datos de un receptor GPS que brindan la posición en tiempo real de la aeronave. Los UAV tienen sofisticados sistemas de piloto automático a bordo que mantienen un vuelo estable y solo requieren control manual para cambiar de dirección. [162]
Control remoto de entrada sin llave para un automóvil
Sistema de entrada sin llave : un transmisor de llavero portátil de corto alcance alimentado por batería , incluido en la mayoría de los automóviles modernos, que puede bloquear y desbloquear las puertas de un vehículo desde el exterior, eliminando la necesidad de usar una llave. Cuando se presiona un botón, el transmisor envía una señal de radio codificada a un receptor en el vehículo, que opera las cerraduras. El llavero debe estar cerca del vehículo, generalmente a una distancia de entre 5 y 20 metros. América del Norte y Japón utilizan una frecuencia de 315 MHz, mientras que Europa utiliza 433,92 y 868 MHz. Algunos modelos también pueden encender el motor de forma remota para calentar el automóvil. Un problema de seguridad con todos los sistemas de entrada sin llave es un ataque de repetición , en el que un ladrón usa un receptor especial ("capturador de código") para grabar la señal de radio durante la apertura, que luego se puede reproducir para abrir la puerta. Para evitar esto, los sistemas sin llave utilizan un sistema de código variable en el que un generador de números pseudoaleatorios en el control remoto genera una clave aleatoria diferente cada vez que se usa. Para evitar que los ladrones simulen el generador pseudoaleatorio para calcular la siguiente clave, la señal de radio también está encriptada . [163]
Abridor de puertas de garaje : transmisor portátil de corto alcance que puede abrir o cerrar la puerta de garaje eléctrica de un edificio desde el exterior, de modo que el propietario pueda abrir la puerta al llegar y cerrarla después de irse. Cuando se presiona un botón, el control transmite una señal de radio FSK codificada a un receptor en el abridor, subiendo o bajando la puerta. Los abridores modernos utilizan 310, 315 o 390 MHz. Para evitar que un ladrón utilice un ataque de repetición , los abridores modernos utilizan un sistema de código variable . [164] [165]
Modelos radiocontrolados : un pasatiempo popular es jugar con modelos de barcos, automóviles, aviones y helicópteros radiocontrolados ( cuadricópteros ), que se controlan mediante señales de radio desde una consola portátil con un joystick . Los transmisores más recientes utilizan la banda ISM de 2,4 GHz con múltiples canales de control modulados con PWM , PCM o FSK. [166]
Timbre inalámbrico : timbre residencial que utiliza tecnología inalámbrica para eliminar la necesidad de pasar cables por las paredes del edificio. Consiste en un botón de timbre junto a la puerta que contiene un pequeño transmisor alimentado por batería. Cuando se presiona el timbre, envía una señal a un receptor dentro de la casa con un altavoz que hace sonar timbres para indicar que alguien está en la puerta. Por lo general, utilizan la banda ISM de 2,4 GHz. El propietario generalmente puede cambiar el canal de frecuencia utilizado en caso de que otro timbre cercano esté utilizando el mismo canal. [167] [168]
Interferencia
La interferencia de radio es la radiación deliberada de señales de radio diseñadas para interferir con la recepción de otras señales de radio. Los dispositivos de interferencia se denominan "supresores de señales" o "generadores de interferencias" o simplemente bloqueadores. [169]
En tiempos de guerra, los militares utilizan interferencias para interferir en las comunicaciones de radio tácticas de los enemigos. Dado que las ondas de radio pueden atravesar las fronteras nacionales, algunos países totalitarios que practican la censura utilizan interferencias para impedir que sus ciudadanos escuchen las emisiones de estaciones de radio de otros países. Las interferencias suelen realizarse mediante un transmisor potente que genera ruido en la misma frecuencia que el transmisor objetivo. [170] [171]
La ley federal de Estados Unidos prohíbe la operación o venta no militar de cualquier tipo de dispositivo de interferencia, incluidos los que interfieren con el GPS, la telefonía celular, el Wi-Fi y los radares policiales. [172]
Investigación científica
La radioastronomía es el estudio científico de las ondas de radio emitidas por objetos astronómicos. Los radioastrónomos utilizan radiotelescopios , grandes antenas de radio y receptores, para recibir y estudiar las ondas de radio de fuentes de radio astronómicas . Dado que las fuentes de radio astronómicas están tan lejos, las ondas de radio que emiten son extremadamente débiles, lo que requiere receptores extremadamente sensibles, y los radiotelescopios son los receptores de radio más sensibles que existen. Utilizan grandes antenas parabólicas (parabólicas) de hasta 500 metros (2000 pies) de diámetro para recolectar suficiente energía de ondas de radio para estudiar. La electrónica frontal de RF del receptor a menudo se enfría con nitrógeno líquido para reducir el ruido térmico . A menudo, se conectan varias antenas en conjuntos que funcionan como una sola antena, para aumentar la potencia de recolección. En la interferometría de línea de base muy larga (VLBI), se conectan radiotelescopios en diferentes continentes, lo que puede lograr la resolución de una antena de miles de millas de diámetro. [173] [174]
Teledetección : en radio, la teledetección es la recepción de ondas electromagnéticas radiadas por objetos naturales o la atmósfera para la investigación científica. Todos los objetos cálidos emiten microondas y el espectro emitido puede utilizarse para determinar la temperatura. Los radiómetros de microondas se utilizan en meteorología y ciencias de la tierra para determinar la temperatura de la atmósfera y la superficie terrestre, así como las reacciones químicas en la atmósfera. [175] [176]
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