RADIO

Introducción

La comunicación por radio permite enviar información entre dos lugares a través del espacio vacío (también a otros planetas) sin necesidad de cables. Su invención, como la de casi todo, se la disputan varias personas como Tesla o Marconi, o el comandante Julio Cervera.

Las ondas de radio predichas por J.C Maxwell en 1885 y descubiertas por H.R Hertz en 1886 se originan al hacer pasar por un cable denominado antena una corriente alterna de alta frecuencia. El rango de frecuencias usado en las comunicaciones por radio varía desde los 300KHz a los 3GHz.

En este tema vamos a aprender:

Generación y recepción de ondas de radio. Amplitud, longitud de onda y frecuencia de una onda. Velocidad de propagación de una onda electromagnética. Resonancia. Modulación y demodulación. Construcción de receptores, transmisores y amplificadores. Microondas. Sistemas de Telefonía móvil. Sistemas de comunicación por satélite.

Ondas

Hay muchos tipos de ondas: Las ondas que se producen en un estanque al lanzar una piedra, Las ondas que se producen al agitar el extremo de una cuerda, las ondas sonoras, las ondas de radio etc.

Todas las ondas tienen algo en común. Una onda es una perturbación periódica que se propaga por el espacio.

En el siguiente simulador se pueden crear ondas al agitar el extremo de una cuerda, para acceder al simulador haz click en la imagen o sigue el siguiente enlace

Elimina la amortiguación de las ondas poniendo el damping a cero y elige la opción "no end" para crear una onda infinita. Puedes añadir reglas (rulers en inglés) y un cronómetro (timer en inglés) para medir las ondas que generes.

Las onda se repiten en el espacio. Podemos congelar una onda en un instante dado tomando una fotografía suya, como se puede ver en la siguiente imagen:

Al "congelar" una onda podemos medirla. La longitud del trozo de onda que se repite se denomina longitud de onda y se mide en metros. La longitud de onda se puede tomar como la distancia entre dos crestas sucesivas y en la onda de la imagen es de 30cm.

La altura que alcanza la cresta de la onda se denomina amplitud y sus unidades dependen del tipo de onda. En el dibujo de arriba la amplitud de la onda es de 10cm. En una onda sonora (onda de presión) la amplitud se mide en bares, y en una onda electromagnética (onda de campo electromagnético) la amplitud se mide en Voltios/metro.

Si hacemos una película, o un vídeo grabando una onda a lo largo del tiempo, nos damos cuenta de que la película se repite cada cierto tiempo. Es decir, las ondas se repiten también al cabo de cierto tiempo como se puede ver en la imagen de abajo.

Vemos que la onda es idéntica a la de la imagen anterior, sin embargo el cronómetro nos dice que han pasado 49 centésimas de segundo (0,49 segundos).

Al tiempo que una onda tarda en volver a repetirse se le llama periodo y se mide en segundos. El inverso del periodo se llama frecuencia = 1/periodo, se mide en Hercios (Hz) y nos dice cuantas veces se repite una onda por cada segundo de tiempo transcurrido. En este caso la frecuencia de la onda es frecuencia = 1/0,49s = 2Hz, es decir la onda se repite 2 veces cada segundo.

Cuando las frecuencias son muy altas se utilizan múltiplos del Hercio como el KHz (Kilo Hercio = 1.000Hz), MHz (Mega Hercio = 1.000.000 Hz) y GHz (Giga Hercio 1.000.000.000 Hz).

La velocidad con que la cresta de una onda se mueve hacia a derecha se denomina velocidad de propagación. Sabemos que la velocidad de propagación = espacio recorrido por la cresta de la onda/periodo de la onda = longitud de onda/periodo = longitud de onda x frecuencia . Para las ondas de sonido la velocidad de propagación es de unos 360m/s, mientras que las ondas electromagnéticas (luz, radio, etc) se propagan a 300.000.000 m/s.

La velocidad de propagación de la onda en la cuerda de nuestro ejemplo es = longitud de onda x frecuencia = 0,3m x 2Hz = 0,6 m/s.

Modulación y demodulación de una onda

Del mismo modo que para generar una onda sonora es preciso hacer vibrar un cuerpo (como una cuerda, la membrana de un tambor o una copa de vino), para generar ondas de radio (ondas electromagnéticas) es preciso hacer vibrar (oscilar) la corriente eléctrica que circula por una cable llamado antena. Cuanto más alta sea la frecuencia de vibración mayor es la cantidad de la energía que se emite al espacio en forma de ondas de radio, y mas lejos llegará nuestra onda.

Aquí se muestra una simulación de como se generan y se propagan las ondas de radio. Para ejecutarla simplemente haz clic en la imagen o en el siguiente enlace

En el simulador se ve perfectamente como al hacer oscilar (agitar) un poco con el ratón el electrón de la antena emisora se genera una onda de radio (campo electromagnético) que se propaga por el espacio hasta alcanzar la antena receptora. Cuando la onda alcanza la antena receptora, hace vibrar sus electrones al mismo ritmo (frecuencia) que el del electrón original, generando una pequeña corriente eléctrica. En realidad en la antena receptora no hay un sólo electrón oscilando sino que todos los electrones de la antena oscilan al unísono arriba y abajo formando una corriente eléctrica oscilante.

Se comprende entonces que la transmisión y recepción de ondas de radio funciona de la siguiente manera:

- Al hacer pasar una corriente oscilante (alterna) por un cable (antena emisora) se generan ondas de radio.

- Cuando las ondas de radio se encuentran en su camino con otro cable (antena receptora) provocan en él una corriente oscilante exactamente igual que la que generó la onda, pero mucho más débil.

- Si conectamos un amplificador de corriente a la antena receptora podemos recuperar una corriente igual a la original, pero a muchos kilómetros de distancia, es decir podemos transmitir información a distancia a través del espacio vacío. Esto suposo una gran revolución a finales del siglo XIX y principios del XX, ya que hasta las fechas todas las formas de comunicación conocidas necesitaban de un medio o canal de transmisión. Las ondas de radio no necesitan ningún canal de transmisión, por los que son ideales para comunicaciones espaciales.

Con ayuda de un micrófono y un amplificador podemos convertir la voz humana en una corriente eléctrica oscilante con una frecuencia de entre 20 y 20000Hz. Esta frecuencia es muy baja y al mandarla a una antena, las ondas de radio de genera son muy débiles y apenas llegan unos metros. Para transmitir esta señal a mucha distancia (Signal en el gráfico inferior) a través del espacio en forma de ondas de radio es preciso mezclarla (multiplicarla) con otra señal de alta frecuencia denominada portadora. La portadora ha de tener una frecuencia lo suficientemente alta (normalmente varios centenares de miles o millones de Hercios) como para generar de forma eficiente ondas de radio con un alcance suficiente. Este proceso de mezcla da lugar a una onda de radio (RF), y se puede hacer de dos maneras denominadas modulación en amplitud (AM), o modulación en frecuencia (FM).

Modulación en amplitud (AM): La onda RF tiene la misma frecuencia que la onda portadora, pero su amplitud es proporcional a la de la onda moduladora. Un receptor de radio AM funciona de forma inversa a una emisora, de modo que es capaz de extraer la señal de voz (moduladora) de una onda de radio y enviarla a un amplificador y un altavoz para poder escucharla.

Modulación en frecuencia (FM): La onda RF tiene una amplitud constante, lo que sucede ahora es lo siguiente: Cuando la amplitud de la onda moduladora es cero, la frecuencia de la onda RF coincide con la de la portadora. Cuando la amplitud de la moduladora aumenta la frecuencia de la onda RF aumenta respecto a la de la onda portadora y viceversa.

Generación y recepción de ondas de radio

Transmisión de ondas de radio:

Recepción de ondas de radio: Las ondas de radio son campos electromagnéticos invisibles que nos rodean, si colocamos un cable desnudo al aire a modo de antena podemos transformar las ondas en una pequeña corriente eléctrica a lo largo del cable. En el diagrama adjunto se describe el proceso completo de recepción de ondas de radio, en el se muestra como se extrae la voz de la onda de radio.

Radio de galena, (también llamada de cristal)

Se puede construir una radio de forma muy sencilla utilizando los siguientes elementos: antena (30-40 metros) de cable de cobre colocado lo más alto y más vertical posible sobre el suelo, (D-1) diodo de germanio OA91, un auricular de alta impedancia, y como toma de tierra se puede conectar un cable a un grifo, una tubería metálica, un radiador o una valla metálica. Vamos a ver tres versiones diferentes por orden creciente de dificultad:

La radio más simple del mundo: Sólo necesitamos un diodo, un auricular de alta impedancia, una toma de tierra y una antena. El esquema del circuito es el siguiente:

Aunque es muy sencilla, no se puede sintonizar fácilmente. Se escuchan varias emisoras a la vez, por lo que su selectividad es muy baja. Para sintonizar diferentes frecuencias hay que modificar la longitud de la antena, por lo que no resulta práctica.

Una versión mejorada que permite sintonizar distintas emisoras: Se puede mejorar la capacidad de sintonía añadiendo una bobina construida arrollando 150 vueltas de hilo de cobre esmaltado de 0,3 mm de diámetro sobre un tubo de cartón de 4cm de diámetro (sirve uno de papel higiénico, o de papel de cocina). De la bobiba se sacan derivaciones cada 10 vueltas (en total 15 derivaciones) y se conectan de la siguiente manera dejando uno de los extremos de la bobina suelto, sin conectar.

Para sintonizar distintas emisoras simplemente hay que probar, conectando la clavija a las derivaciones que se han sacado de la bobina. Las derivaciones más próximas al extremo de la bobina conectado a tierra permiten sintonizar las emisoras de AM que emiten en las frecuencias más altas (1,6 MHz aproximadamente), mientras que las más alejadas de la conexión a tierra permiten sintonizar las emisoras que emiten en frecuencias más bajas. La selectividad de esta radio no es muy buena y se escuchan varias emisoras a la vez de forma que las más potentes silencian a las más débiles.

En este enlace se pueden ver varias imágenes de esta radio construidas por mi: enlace

Sintoniza todas las emisoras de la AM: Como modificación final añadiremos un condensador variable Cv-1 de como mínimo 350pF. Jugando con el condensador y con la conexión de la clavija podemos afinar mucho en la sintonia y escuchar todas las emisoras de AM.

Antenas

Como construir una buena antena: La antena es una parte fundamental de la radio de galena. Cuanto mayor sea ésta y más elevada esté sobre el suelo mayor potencia se recibirá y se podrán escuchar incluso las emisoras más débiles y alejadas. Yo he construido una excelente antena en el jardín de mi urbanización como se muestra en el el esquema de abajo. He tirado un cable de cobre esmaltado (el mismo de la bobina) de 0,3mm de diámetro desde una ventana del 5º Piso hasta el suelo. Los extremos del cable de cobre los he anudado a una cuerda de plástico normal y corriente para aislar la antena del edificio y del suelo. Para la toma de tierra he conectando un cable a una valla galvanizada. La ganancia de esta antena es espectacular y el volumen de recepción de mi radio de cristal es excelente, muy alto. Hasta ahora es la antena con la que mayor potencia he recibido. Recuerda que el cable ha de ser de una sola pieza , sin empalmes. Con esta antena he recibido 1,6V rms y 0,03mA rms lo que hace aproximadamente 0,05 mW de potencia.

Una antena no tan buena: A veces es imposible disponer de una antena como la descrita en el párrafo anterior. Cuando quiero hacer pruebas rápidas en casa, por la noche, uso 10 metros de cable de cobre esmaltado de 0,3 mm de diámetro y lo coloco lo más recto posible pegándolo con cinta de embalar a la parte superior de las puertas, lo más alejado posible de las paredes y a unos 70 cm del techo. Como toma de tierra uso el grifo de la cocina. Teniendo en cuenta que por la noche las ondas de radio en la banda de AM se reciben con mucha más potencia, los resultados son aceptables y se pueden escuchar algunas emisoras con claridad.

Añadir un amplificador

El principal encanto de la radio de galena, es que no necesita pilas, la propia energía recibida por la antena es la que activa el auricular. Sin embargo tiene dos limitaciones importantes: Necesita una toma de tierra (que no siempre está disponible), y una antena de tamaño considerable. Si conectamos un amplificador de la siguiente manera resolvemos estos problemas. La toma de tierra de la radio se conecta ahora al polo negativo de la pila que alimenta el amplificador y la antena ya no tiene que ser tan grande, unos 3 ó 4 metros de cable de cobre pueden ser suficientes. La conexión se realiza de la siguiente manera:

Emisor código morse AM

Con dos 555 en modo astable se puede crear un emisor de código morse. Uno oscila con la frecuencia de la onda portadora (720KHz) y su salida va directamente a un cable de 1m que hace de antena, el otro oscila con la frecuencia de la moduladora (720Hz) y su salida se conecta a la entrada RESET del otro, de modo que la portadora se genera sólo cuando la moduladora está en HIGH ( la portadora rellena a la moduladora) obteniendo una modulación en amplitud perfecta.

Al accionar el pulsador se emite un pitido de 720Hz de mayor o menor duración para transmitir una raya o un punto. La portadora es de 720KHz y se puede sintonizar con cualquier radio AM, y en particular con cualquiera de los diseños mostrados en esta página. Se ha escogido esta frecuencia para que el pitido de los puntos y rayas sea como los de las películas.

Para modificar la frecuencia del pitido se puede aumentar o disminuir el valor de R2.

Para modificar la frecuencia de la portadora se puede aumentar o disminuir el valor de R4.

La antena es un trozo de cable recto y vertical, de, como mínimo, 30cm, a mayor longitud mayor alcance.

El condensador C4 no es imprescindible, pero estabiliza mucho el sistema (de otra manera todo empieza a oscilar a lo bestia) mejora mucho la forma de la onda, haciendo que se sintonice exactamente a la frecuencia teórica de la portadora. Si no se usa, la onda es muy fea e inestable y se "desparrama" por todo el espectro de AM.

Enlaces

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