Fundamentos y Fenómenos del Espectro de Radio Frecuencia

[Daniel Ordóñez Flores]

FUNDAMENTOS DE RADIO FRECUENCIA.

Los siguientes elementos o características definidas por las leyes de la física están presentes en cada senal RF.

• Wavelength.
• Frequency.
• Amplitude.
• Phase.

WAVELENGTH.

Wavelength es la distancia entre las dos crestas sucesivas (picos) o dos canales sucesivos (valles) de un patrón de onda. Es muy importante entender que existe una relación inversa entre frecuencia, longitud de onda (Wavelength) y velocidad de la luz. Para ponerlo en términos sencillos debemos entender lo siguiente: Entre mayor es la frecuencia de la señal RF menor será la distancia de Wavelength, entre mayor sea la distancia del Wavelength menor será la frecuencia. Un ejemplo muy sencillo de esta formulación lo podemos ver en las bandas de transmisión que utilizamos, en donde la banda de 2.4 GHz tiene una frecuencia de 2.4 billones de ciclos por segundo y tiene un wavelength de 12.24 cm mientras que la banda de 5 GHz la cual tiene una frecuencias de 5 billones de ciclos por segundo tiene un wavelength de 5.19 cm.

Ahora bien de acuerdo a está información, la percepción general es que las señales de RF de menor frecuencia viajan mucho mas lejos que las de mayor frecuencia, sin embargo, en un vacío total ausente de materia ambas senales viajarían de forma infinita. La realidad es que la cantidad de energía que puede ser capturada por la apertura de una antena de alta frecuencia es menor que la cantidad de energía de RF que puede ser capturada por una antena de baja frecuencia.

FREQUENCY.

Frecuencia es el número de veces que ocurre un evento específico dentro de un intervalo de tiempo especificado. Una medida estándar de la frecuencia es el hertz (Hz), que fue nombrado después del físico alemán Heinrich Rudolf Hertz. Un evento que ocurre una vez en 1 segundo tiene una frecuencia de 1 Hz. Un evento que ocurre 325 veces en 1 segundo se mide como 325 Hz. La frecuencia con la cual una señal inalámbrica se repite también se mide en Hertz. Diferentes prefijos pueden ser aplicados a las diferentes tipos de frecuencia aquí lo mas comunes.

• 1 hertz (Hz) = 1 cycle per second.
• 1 kilohertz (KHz) = 1,000 cycles per second.
• 1 megahertz (MHz) = 1,000,000 (million) cycles per second.
• 1 gigahertz (GHz) = 1,000,000,000 (billion) cycles per second.
  

AMPLITUDE.

La amplitud se puede definir simplemente como la fuerza de la señal o poder. Cuando se habla de transmisiones inalámbricas, esto suele referirse a cuán alto o fuerte es la señal. La amplitud puede definirse como el desplazamiento máximo de una onda continua. Con las señales de RF, la amplitud corresponde al campo eléctrico de la onda. Cuando se mira una señal de RF utilizando un osciloscopio, la amplitud se representa por las crestas positivas y los canales negativos de la onda sinusoidal.

En la siguiente figura, se puede ver que λ representa la longitud de onda y a representa la amplitud. Las crestas y valles de la primera señal tienen más magnitud; Por lo tanto la señal tiene más amplitud. Las crestas y canales de la segunda señal tienen una magnitud disminuida, y por lo tanto la señal tiene menos amplitud.

Cuando se habla de la intensidad de la señal en una WLAN, la amplitud se denomina generalmente amplitud de transmisión o amplitud recibida. La amplitud de transmisión se define típicamente como la cantidad de amplitud inicial que sale del transmisor de radio. Por ejemplo, si con configura un punto de acceso para transmitir a 50 miliwatts (mW), esa es la amplitud de transmisión. Los cables y conectores atenuarán la amplitud de transmisión mientras que la mayoría de la antena amplificará la amplitud de transmisión. Cuando un radio recibe una señal de RF, la intensidad de la señal recibida es más a menudo referida como amplitud recibida.

PHASE

La fase no es una propiedad de una sola señal RF sino que implica la relación entre dos o más señales que comparten la misma frecuencia. La fase implica la relación entre la posición de las crestas de amplitud y los canales de dos formas de onda. La fase se puede medir en distancia, tiempo o grados. Si los picos de dos señales con la misma frecuencia están en alineación exacta al mismo tiempo, se dice que están en fase. Por el contrario, si los picos de dos señales con la misma frecuencia no están en alineación exacta al mismo tiempo, se dice que están fuera de fase. Lo que es importante entender es el efecto que la fase tiene en la amplitud cuando un radio recibe múltiples señales. Las señales que tienen una separación de fase de 0 grados combinan realmente su amplitud, lo que da como resultado una señal recibida de intensidad de señal mucho mayor. Si dos señales de RF están desfasadas en 180 grados, se cancelan mutuamente y la intensidad de señal recibida efectiva es nula. La diferencia de fase entre dos señales es muy importante para comprender los efectos de un fenómeno de RF conocido como multipath.

COMPORTAMIENTOS DE LAS SEÑALES DE RADIO FRECUENCIA.

ABSORPTION

El comportamiento de RF más común es la absorción. La mayoría de los materiales absorben una cierta cantidad de una señal de RF en grados variables. Los muros de ladrillo y hormigón absorberán una señal de forma significativa, mientras que los paneles de yeso absorberán una señal en menor grado. El agua es otro ejemplo de un medio que puede absorber una señal en gran medida. La absorción es una causa principal de atenuación (pérdida), que se discute más adelante en este capítulo. La amplitud de una señal de RF se ve afectada directamente por la cantidad de energía de RF absorbida. Incluso los objetos con gran contenido de agua como papel, cartón y tanques de peces pueden absorber señales. Saben que otra variable puede absorber la señal inalámbrica y esta presente en todas y cada una de las redes? Si, la respuesta es el cuerpo humano, el cual esta constituido entre un 50% y 65% de agua, es por ello que en cada una de las implementaciones es importante saber la densidad de usuarios de cada area donde se piensa utilizar la red WLAN.

REFLECTION.

Uno de los comportamientos de propagación de RF más importantes a tener en cuenta es la reflexión. Cuando una onda golpea un objeto liso que es más grande que la propia onda, dependiendo del medio, la onda puede rebotar en otra dirección. Existen dos tipos principales de reflecciones:

• Reflexión de la onda de cielo.
• Reflexión de microondas.

La reflexion de la onda del cielo, puede ocurrir en frecuencias por debajo de 1 GHz, donde la señal tiene una longitud de onda muy grande. Un ejemplo de este tipo de reflexion son las senales de RF de radio AM.

Las señales de microondas, existen entre 1 GHz y 300 GHz. Debido a que son señales de frecuencia más alta, tienen longitudes de onda mucho más pequeñas, por lo tanto el término microondas. Las microondas pueden rebotar objetos más pequeños como una puerta metálica. La reflexion de microondas es lo que nos preocupa en los entornos Wi-Fi. El fenómeno de reflexion es la causa mayor de un pobre desempeño de redes a/b/g/n.

SCATTERING.

La dispersión se puede describir más fácilmente como multiples reflexiones. Estas múltiples reflexiones ocurren cuando la longitud de onda de la RF es mayor que las piezas donde esta siendo reflejada. La dispersión puede ocurrir de dos maneras. El primer tipo de dispersión está en un nivel inferior y tiene un menor efecto en la calidad y la intensidad de la señal. Este tipo de dispersión puede manifestarse cuando la señal de RF se mueve a través de una sustancia y las ondas electromagnéticas individuales son reflejadas en l partículas diminutas dentro del medio. El smog en nuestra atmósfera y las tormentas de arena en el desierto pueden causar este tipo de dispersión. El segundo tipo de dispersión ocurre cuando una señal de RF encuentra algún tipo de superficie desigual y se refleja en múltiples direcciones. Malla de alambre, follaje de árboles y terreno rocoso comúnmente causan este tipo de dispersión. Al golpear la superficie desigual, la señal principal se disipa en múltiples señales reflejadas, lo que puede provocar una degradación sustancial de la señal e incluso puede causar una pérdida de la señal recibida.

La siguiente figura realiza una analogía de la dispersión, en la cual se puede observar que un rayo de luz de una linterna es dirigida a una bola Disco y esta se refleja en diferentes direcciones.

REFRACTION

Además de que las señales RF son absorbidas o rebotadas (por reflexión o dispersión), si existen ciertas condiciones, una señal RF puede ser doblada en un comportamiento conocido como refracción. Una definición de refracción sencilla es la flexión de una señal de RF a medida que pasa a través de un medio con una densidad diferente, provocando así el cambio de la dirección de la onda. La refracción de RF se produce más frecuentemente como resultado de las condiciones atmosféricas. Las tres causas más comunes de refracción son:

• Vapor.
• Cambio de temperatura del aire.
• Cambio de la presión del aire.

DIFFRACTION.

La difracción es la flexión de una señal de RF alrededor de un objeto (mientras que la refracción, como usted recuerda, es la flexión de una señal a medida que pasa a través de un medio). La difracción es la flexión y la propagación de una señal de RF cuando se encuentra con una obstrucción. Típicamente, la difracción es causada por algún tipo de bloqueo parcial de la señal RF, tal como una pequeña colina o un edificio que se encuentra entre una radio transmisora ​​y un receptor. Las ondas que encuentran la obstrucción doblan alrededor del objeto, tomando un camino más largo y diferente. La parte que se encuentra directamente detrás de la obstrucción es un área conocida como RF shadow. Dependiendo del cambio de dirección de las señales difractadas, el área de la sombra RF puede convertirse en una zona muerta de cobertura o posiblemente recibir señales degradadas.

FREE SPACE PATH LOSS.

Debido a las leyes de la física, una señal electromagnética se atenuará a medida que viaja, a pesar de la falta de atenuación causada por obstrucciones, absorción, re ección, difracción, etc. FSPL, es la pérdida de potencia de la señal causada por el ensanchamiento natural de las ondas, a menudo denominado divergencia de haz. La energía de señal de RF se extiende sobre áreas más grandes a medida que la señal se aleja más de una antena, y como resultado, la intensidad de la señal se atenúa.

Una forma de ilustrar este termino es usar una analogía de globo. Antes de que un globo se llene con helio, permanece pequeño pero tiene un grosor denso. Después de que el globo se infla y ha crecido y se extendió en tamaño, este se vuelve muy delgado. Las señales de RF pierden fuerza de la misma manera. Afortunadamente, esta pérdida en la fuerza de la señal es logarítmica y no lineal; Por lo tanto la amplitud no disminuye tanto en un segundo segmento de igual longitud como disminuye en el primer segmento. Una señal de 2.4 GHz cambiará en potencia en unos 80 dB después de 100 metros, pero reducirá sólo otros 6 dB en los próximos 100 metros.

Aquí están las fórmulas para calcular la pérdida de trayectoria de espacio libre:

La regla de 6 dB establece que duplicar la distancia dará lugar a una pérdida de amplitud de 6 dB.

MULTIPATH.

Multipath es un fenómeno de propagación que da lugar a dos o más trayectorias de una señal que llega a una antena receptora al mismo tiempo o dentro de unos nanosegundos entre sí. Debido a la ampliación natural de las ondas, los comportamientos de propagación de la reflexión, dispersión, difracción y refracción se producirán de manera diferente en entornos diferentes. Cuando una señal encuentra un objeto, puede reflejar, dispersar, refractar o difractar. Estos comportamientos de propagación pueden dar como resultado caminos múltiples de la misma señal. Por lo general, toma un poco más de tiempo para que las señales reflejadas lleguen a la antena receptora porque deben recorrer una distancia más larga que la señal principal. El diferencial de tiempo entre estas señales se puede medir en mil millonésimas de segundo (nanoseconds). El diferencial de tiempo entre estos múltiples trayectos se conoce como delay spread. Con señales de RF, los efectos del multipath pueden ser constructivos o destructivos. Muy a menudo son destructivos. Debido a las diferencias en la fase de las trayectorias múltiples, la señal combinada a menudo atenúa, amplifica, o se corrompe. Los cuatro posibles resultados del multipath son los siguientes:

Upfade: Incremento de la senal. Cuando las múltiples rutas de señal de RF llegan al receptor al mismo tiempo y están en fase o parcialmente fuera de fase con la onda primaria, el resultado es un aumento en la intensidad de la señal (amplitud). Una diferencia de entre 0 y 120 grados causaran el efecto upfade.

Downfade: Cuando las múltiples rutas de señal de RF llegan al receptor al mismo tiempo y están fuera de fase con la onda primaria, el resultado es una disminución en la intensidad de la señal (amplitud). Una diferencia de entre 121 y 179 grados causaran el efecto de downfade.

Nulling: Esta es la cancelación de la señal. Cuando las trayectorias múltiples de la señal del RF llegan al receptor al mismo tiempo y están 180 grados fuera de la fase con la onda primaria, el resultado será nulling. La anulación es la cancelación completa de la señal RF. Una completa cancelación de la señal es obviamente destructiva.

Data Corruption: Debido a la diferencia de tiempo entre la señal primaria y las señales reflejadas conocido como delay spread junto con el hecho de que puede haber múltiples señales reflejadas, el receptor puede tener problemas para demodular la información de la señal de RF. Esta diferencia de tiempo puede hacer que los bits se superpongan entre sí, y el resultado final sea datos dañados. Este tipo de interferencia de tipo multipath se conoce a menudo como intersymbol interference (ISI). La corrupción de los datos es el efecto mas destructivo del fenómeno multipath.

GAIN.

La ganancia, también conocida como amplificación, se puede describir mejor como el aumento de la amplitud o la intensidad de la señal, no se debe de confundir con potencia de transmisión ya que son dos terminos totalmente diferentes. Los dos tipos de ganancia que existen se conocen como ganancia activa y ganancia pasiva.

La ganancia activa suele ser causada por el transceiver y el uso de un amplificador en el cable que conecta el transceiver a la antena. Muchos transceivers son capaces de transmitir a diferentes niveles de potencia, con los niveles de potencia más altos creando una señal más fuerte o ampliada. Un amplificador suele ser bidireccional, lo que significa que aumenta el voltaje alterno entrante y saliente. Los dispositivos de ganancia activa requieren el uso de una fuente de alimentación externa.

La ganancia pasiva se logra enfocando la señal de RF con el uso de una antena. Las antenas son dispositivos pasivos que no requieren una fuente de alimentación externa.