Cómo funciona la radio | Todo lo que necesitas saber

Las ondas de radio electromagnéticas son uno de los descubrimientos más importantes de la tecnología de los siglos XX y XXI. No las ves, pero innumerables ondas de alta frecuencia rebotan en el aire a tu alrededor todos los días. Facilitan la comunicación inalámbrica para cosas como radios de automóviles, teléfonos inteligentes e Internet Wi-Fi. Gracias a la radio, la transmisión de datos entre personas es más rápida y cómoda que nunca.

Estas son sólo algunas de las tecnologías cotidianas que dependen de las ondas de radio:

• Abridores de puertas de garaje
• Conexiones inalámbricas
• juguetes radiocontrolados
• Transmisiones televisivas
• Celulares
• Receptores GPS
• radioaficionados
• radios policiales
• Relojes inalámbricos

Incluso cosas como los radares y los hornos microondas dependen de las ondas de radio. Los satélites de comunicación y navegación serían imposibles sin ondas de radio, al igual que la aviación moderna: un avión depende de una docena de sistemas de radio diferentes. Las redes WiFi de las que dependemos en el trabajo, el hogar y la escuela también dependen completamente de las ondas de radio para la transmisión de datos.

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Lo curioso es que, en esencia, la radio es una tecnología increíblemente simple. Con sólo un par de componentes electrónicos que cuestan como máximo uno o dos dólares, se pueden construir transmisores y receptores de radio sencillos. En este artículo, exploraremos la tecnología de la radio para que puedas comprender completamente cómo las ondas de radio invisibles hacen posibles tantas cosas.

La radio más sencilla

La radio puede ser increíblemente simple y, a principios del siglo XX, esta simplicidad hizo posible la experimentación temprana para casi cualquier persona. ¿Qué tan simple puede llegar a ser? He aquí un ejemplo:

• Toma una batería nueva de 9 voltios y una moneda.
• Busca una radio AM y sintonízala en un área del dial donde escuches estática.
• Ahora sostén la batería cerca de la antena y golpea rápidamente los dos terminales de la batería con la moneda (para conectarlos por un instante).
• Escucharás un crujido en la radio causado por la conexión y desconexión de la moneda.

Tu combinación de batería/moneda es un transmisor de radio. No transmite nada útil (solo estática) y no transmitirá muy lejos (solo unos pocos centímetros, porque no está optimizado para la distancia). Pero si utilizas la estática para extraer el código Morse, puedes comunicarte a lo largo de varios centímetros con este tosco dispositivo.

Una radio (un poco) más elaborada

Si quieres hacerlo un poco más elaborado, utiliza una lima de metal y dos trozos de alambre. Conecta el mango de la lima a un terminal de tu batería de 9 voltios. Conecta el otro trozo de cable al otro terminal y pasa el extremo libre del cable hacia arriba y hacia abajo por la lima. Si haces esto en la oscuridad, podrás ver chispas muy pequeñas de 9 voltios corriendo a lo largo de la lima cuando la punta del cable se conecta y desconecta con las crestas de la lima. Mantén el archivo cerca de una radio AM y escucharás mucha estática.

En los primeros días de la radio, los transmisores se llamaban bobinas de chispa y creaban un flujo continuo de chispas a voltajes mucho más altos (por ejemplo, 20.000 voltios). El alto voltaje creaba chispas grandes y gruesas como las que se ven en una bujía, y podían transmitirse más lejos. Hoy en día, un transmisor como ese es ilegal porque envía spam a todo el espectro de radio, pero al principio funcionaba bien y era muy común porque las ondas de radio no estaban fuertemente reguladas.

Conceptos básicos de la radio: las partes

Como se vio en la sección anterior, es increíblemente fácil transmitir con estática. Sin embargo, todas las radios actuales utilizan ondas sinusoidales continuas para transmitir información. Los primeros transmisores de radio emitían una gran banda de frecuencias a la vez. Lo único que podían reproducir eran ruidos simples que podían usarse para comunicarse con el código Morse.

Un transmisor de onda sinusoidal reduce esta banda a frecuencias más específicas que pueden reproducir eficazmente información compleja como transmisiones de audio, vídeo y datos de Internet. La estrecha banda de frecuencia también permite que muchos transmisores funcionen en un área sin interferir entre sí.

Hoy en día utilizamos ondas sinusoidales continuas porque hay muchas personas y dispositivos diferentes que quieren utilizar ondas de radio al mismo tiempo. Si tuviera alguna forma de verlas, descubriría que hay literalmente miles de ondas de radio diferentes (en forma de ondas sinusoidales) a su alrededor en este momento: transmisiones de televisión, transmisiones de radio AM y FM, radios de policía y bomberos, televisión por satélite, conversaciones por teléfono celular, señales de GPS, etc.

Es sorprendente la cantidad de usos que tienen las ondas de radio en la actualidad. Cada señal de radio diferente utiliza una frecuencia de onda sinusoidal diferente, y así es como se separan todas.

Cualquier configuración de radio tiene dos partes:

• Transmisor.
• Receptor.

El transmisor toma algún tipo de mensaje (puede ser el sonido de la voz de alguien, imágenes para un televisor, datos para un módem de radio, etc.), lo codifica en una onda sinusoidal y lo transmite mediante ondas de radio. El receptor recibe las ondas de radio y decodifica el mensaje a partir de la onda sinusoidal que recibe. Tanto el transmisor como el receptor utilizan antenas para irradiar y capturar la señal de radio.

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Transmisores simples

Puedes hacerte una idea de cómo funciona un transmisor de radio empezando con una batería y un trozo de cable. Una batería envía electricidad (una corriente de electrones) a través de un cable si conectas el cable entre los dos terminales de la batería. Los electrones en movimiento crean un campo magnético que rodea el cable y ese campo es lo suficientemente fuerte como para afectar una brújula.

Digamos que tomas otro cable y lo colocas paralelo al cable de la batería, pero a 5 centímetros (2 pulgadas) de él. Si conectas un voltímetro muy sensible al cable, sucederá lo siguiente: cada vez que conectes o desconectes el primer cable de la batería, sentirás un voltaje y una corriente muy pequeños en el segundo cable; cualquier campo magnético cambiante puede inducir un campo eléctrico en un conductor; este es el principio básico detrás de cualquier generador eléctrico. Entonces:

• La batería crea un flujo de electrones en el primer cable.
• Los electrones en movimiento crean un campo magnético alrededor del cable.
• El campo magnético se extiende hasta el segundo cable.
• Los electrones comienzan a fluir en el segundo cable cada vez que cambia el campo magnético en el primer cable.

Una cosa importante a tener en cuenta es que los electrones fluyen en el segundo cable solo cuando conectas o desconectas la batería. Un campo magnético no hace que los electrones fluyan en un cable a menos que el campo magnético esté cambiando. Conectar y desconectar la batería cambia el campo magnético (conectar la batería al cable crea el campo magnético, mientras que desconectar colapsa el campo), por lo que los electrones fluyen en el segundo cable en esos dos momentos.

Cómo hacer tu propio transmisor simple

Para crear un transmisor de radio simple, lo que tienes que hacer es crear una corriente eléctrica que cambie rápidamente en un cable. Puedes hacerlo conectando y desconectando rápidamente una batería.

Una mejor manera es crear una corriente eléctrica que varíe continuamente en un cable. La forma más simple (y más suave) de una onda que varía continuamente es una onda sinusoidal como la que se muestra a continuación:

Al crear una onda sinusoidal y pasarla a través de un cable, se crea un transmisor de radio simple. Es extremadamente fácil crear una onda sinusoidal con sólo unos pocos componentes electrónicos: un condensador y un inductor pueden crear la onda sinusoidal, y un par de transistores pueden amplificar la onda hasta convertirla en un esquema de transmisor sencillo y potente. Al enviar esa señal a una antena, puedes transmitir la onda sinusoidal al espacio.

Transmitir información

Si tienes una onda sinusoidal y un transmisor que transmite la onda sinusoidal al espacio con una antena, tienes una estación de radio. El único problema es que la onda sinusoidal no contiene ninguna información. Es necesario modular la onda de alguna manera para codificar la información que contiene. Hay cuatro formas comunes de modular una onda sinusoidal:

Modulación de ancho de pulso (PWM)

En PWM, simplemente enciendes y apagas la onda sinusoidal. Esta es una forma sencilla de enviar código Morse. PWM no es tan común, pero un buen ejemplo de ello es el sistema de radio que envía señales a relojes controlados por radio en Estados Unidos. Un transmisor PWM puede cubrir todo Estados Unidos.

Modulación de amplitud (AM)

Las estaciones de radio AM utilizan modulación de amplitud para codificar información. En la modulación de amplitud, la amplitud de la onda sinusoidal (su voltaje pico a pico) cambia. Así, por ejemplo, la onda sinusoidal producida por la voz de una persona se superpone a la onda sinusoidal del transmisor para variar su amplitud.

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Modulación de frecuencia (FM)

Las estaciones de radio FM y cientos de otras tecnologías inalámbricas utilizan modulación de frecuencia. La ventaja de FM es que es en gran medida inmune a la estática. En FM, la frecuencia de la onda sinusoidal del transmisor cambia muy ligeramente según la señal de información. FM utiliza señales de frecuencia más alta que AM, que tienen mayor fidelidad, pero una disminución en el alcance.

Modulación digital

La modulación digital codifica información digital en una señal portadora analógica y proporciona una mayor fidelidad sin la estática típica. En el caso de los enrutadores inalámbricos, la modulación digital también te permite cifrar la señal. De esta forma, el transmisor solo enviará datos a dispositivos concretos.

Sin embargo, una señal digital demasiado débil rápidamente quedará inutilizable. Los datos de audio sonarán codificados y los vídeos estarán muy pixelados. En Estados Unidos, la televisión por aire ha pasado completamente a la transmisión digital, y muchas estaciones de radio terrestres funcionan con antenas digitales además de sus señales analógicas.

Una vez que modulas una onda sinusoidal con información, puedes transmitir la información.

Frecuencia

Una característica de una onda sinusoidal es su frecuencia. La frecuencia de una onda sinusoidal es el número de veces que oscila hacia arriba y hacia abajo por segundo. Cuando escuchas una transmisión de radio AM, tu radio sintoniza una onda sinusoidal con una frecuencia de alrededor de 1.000.000 de ciclos por segundo (los ciclos por segundo también se conocen como hercios).

Por ejemplo, 680 en el dial AM son 680,000 ciclos por segundo. Las señales de radio FM funcionan en el rango de 100,000,000 hercios, por lo que 101.5 en el dial de FM es un transmisor que genera una onda sinusoidal a 101,500,000 ciclos por segundo.

Recibir una señal AM

Aquí tienes un ejemplo del mundo real. Cuando sintonizas la radio AM de tu automóvil en una estación (por ejemplo, 680 en el dial AM), la onda sinusoidal del transmisor transmite a 680,000 hercios (la onda sinusoidal se repite 680,000 veces por segundo). La voz del DJ se modula en esa onda portadora variando la amplitud de la onda sinusoidal del transmisor. Un amplificador amplifica la señal a unos 50,000 vatios para una estación de AM grande. Luego, la antena envía las ondas de radio al espacio.

Entonces, ¿cómo recibe la radio AM de tu automóvil (un receptor) la señal de 680,000 hercios que envió el transmisor y extrae la información (la voz del DJ) de ella? Así es como funciona:

• A menos que estés sentado justo al lado del transmisor, tu receptor de radio necesita una antena que te ayude a captar las ondas de radio del transmisor en el aire. Una antena AM es simplemente un cable o una varilla de metal que aumenta la cantidad de metal con el que pueden interactuar las ondas del transmisor.
• Tu receptor de radio necesita un sintonizador. La antena recibirá miles de ondas sinusoidales. El trabajo de un sintonizador es separar una onda sinusoidal de las miles de señales de radio que recibe la antena. En este caso, el sintonizador está sintonizado para recibir la señal de 680,000 hercios. Los sintonizadores funcionan según un principio llamado resonancia. Es decir, los sintonizadores resuenan y amplifican una frecuencia particular e ignoran todas las demás frecuencias en el aire. Es fácil crear un resonador con un condensador y un inductor.
• El sintonizador hace que la radio reciba solo una frecuencia de onda sinusoidal (en este caso, 680,000 hercios). Ahora la radio tiene que extraer la voz del DJ de esa onda sinusoidal. Esto se hace con una parte de la radio llamada detector o demodulador. En el caso de una radio AM, el detector está fabricado con un componente electrónico llamado diodo. Un diodo permite que la corriente fluya en una dirección pero no en la otra, por lo que corta un lado de la onda.
• A continuación, la radio amplifica la señal recortada y la envía a los altavoces (o a unos auriculares). El amplificador está hecho de uno o más transistores (más transistores significa más amplificación y, por lo tanto, más potencia para los altavoces).

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El receptor AM más simple

En el caso de una señal AM potente, resulta que se puede crear un receptor de radio sencillo con solo dos piezas y algo de cable. El proceso es extremadamente simple: esto es lo que necesitas:

• Un diodo
• Dos trozos de cable: necesitarás alrededor de 20 a 30 pies (15 a 20 metros) de cable magnético de calibre 22.
• Una pequeña estaca o tubo de metal que puedas clavar en el suelo (o, si el transmisor tiene una barandilla o una valla metálica cerca, puedes usarla).
• Un auricular de cristal: este sencillo precursor de los auriculares se conecta directamente al diodo de la antena.

Para facilitar el proceso, también hay disponibles en línea algunos kits que contienen la mayoría de las piezas necesarias en la caja. El kit de radio de cristal de Home Science Tools también viene con un amplificador eléctrico, lo que hace que los auriculares sean innecesarios.

Ahora necesitas encontrar y estar cerca de la torre de transmisión de una estación de radio AM (a menos de 1 milla/1,6 kilómetros aproximadamente) para que esto funcione. Esto es lo que haces:

1. Clava la estaca en el suelo o busca un poste de metal conveniente para la cerca. Pela el aislamiento del extremo de un trozo de cable de 3 metros (10 pies) y envuélvelo alrededor de la estaca/poste cinco o 10 veces para obtener una buena conexión sólida. Este es el cable de tierra.
2. Conecta el diodo al otro extremo del cable de tierra.
3. Toma otro trozo de cable, de 3 a 6 metros (10 a 20 pies) de largo, y conecta un extremo al otro extremo del diodo. Este cable es tu antena. Colócalo en el suelo o cuélgalo de un árbol, pero asegúrate de que el extremo desnudo no toque el suelo.
4. Conecta los dos cables del tapón para los oídos a cada extremo del diodo.

Ahora, si te pones los tapones en los oídos, escucharás la emisora de radio: ese es el receptor de radio más sencillo posible. Este proyecto súper simple no funcionará si estás muy lejos de la estación, pero demuestra lo simple que puede ser un receptor de radio.

Así es como funciona. Tu antena de cable recibe todo tipo de señales de radio, pero como está tan cerca de un transmisor en particular, realmente no importa. La señal cercana abruma todo lo demás por un factor de millones. Debido a que estás tan cerca del transmisor, la antena también recibe mucha energía, ¡suficiente para accionar un auricular! Por lo tanto, no necesitas sintonizador ni pilas ni nada más.

El diodo actúa como detector de la señal AM como se describe en la sección anterior. Así, puedes escuchar la emisora a pesar de la falta de sintonizador y amplificador. Sin embargo, agregar un amplificador como el del kit educativo aumentará la señal y le dará mayor volumen.

Conceptos básicos de la antena

Probablemente hayas notado que casi todas las radios que ves (como la de tu celular, la de tu auto, etc.) tienen una antena. Las antenas vienen en todas las formas y tamaños, dependiendo de la frecuencia que la antena intenta recibir. La antena puede ser cualquier cosa, desde un cable largo y rígido (como en las antenas de radio AM/FM de los automóviles) hasta algo tan extraño como una antena parabólica. Los transmisores de radio también utilizan torres de antena extremadamente altas para transmitir sus señales.

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La idea detrás de una antena en un transmisor de radio es lanzar ondas de radio al espacio. En un receptor, la idea es captar la mayor cantidad posible de energía del transmisor y suministrarla al sintonizador. Para los satélites que están a millones de kilómetros de distancia, la NASA utiliza enormes antenas parabólicas de hasta 230 pies (70 metros) de diámetro.

El tamaño de una antena de radio óptima está relacionado con la frecuencia de la señal que la antena intenta transmitir o recibir. La razón de esta relación tiene que ver con la velocidad de la luz y la distancia que los electrones pueden recorrer como resultado. La velocidad de la luz es de 186,000 millas por segundo (300,000 kilómetros por segundo). Entonces, ¿cómo sabes qué tamaño de antena necesitas?

Antena: ejemplos de la vida real

Digamos que estás intentando construir una torre de radio para la estación de radio 680 AM. Transmite una onda sinusoidal con una frecuencia de 680,000 hercios. En un ciclo de la onda sinusoidal, el transmisor moverá los electrones en la antena en una dirección, los cambiará y los retirará, los cambiará y los empujará hacia afuera y los cambiará y los moverá hacia atrás nuevamente.

En otras palabras, los electrones cambiarán de dirección cuatro veces durante un ciclo de la onda sinusoidal. Si el transmisor funciona a 680,000 hercios, eso significa que cada ciclo se completa en (1/680,000) o 0.00000147 segundos. Una cuarta parte de eso son 0.0000003675 segundos.

A la velocidad de la luz, los electrones pueden viajar 0.0684 millas (0.11 kilómetros) en 0.0000003675 segundos. Eso significa que el tamaño óptimo de antena para el transmisor a 680,000 hercios es de aproximadamente 361 pies (110 metros). Entonces, las estaciones de radio AM necesitan torres muy altas. Por otro lado, para un teléfono móvil que funciona a 900,000,000 (900 MHz), el tamaño óptimo de la antena es de aproximadamente 3 pulgadas o 8.3 centímetros. Por eso los teléfonos móviles pueden tener antenas tan cortas.

Es posible que hayas notado que la antena de radio AM de tu automóvil no mide 91 metros (300 pies) de largo, sino solo un par de pies de largo. Si alargaras la antena, recibirías mejor, pero las estaciones de AM son tan fuertes en las ciudades que realmente no importa si tu antena tiene la longitud óptima.

Quizás te preguntes por qué, cuando un transmisor de radio transmite algo, las ondas de radio quieren propagarse por el espacio alejándose de la antena a la velocidad de la luz. ¿Por qué las ondas de radio pueden viajar millones de millas? ¿Por qué la antena no tiene simplemente un campo magnético a su alrededor, cerca de la antena, como se ve con un cable conectado a una batería? Una forma sencilla de pensarlo es la siguiente: cuando la corriente ingresa a la antena, crea un campo magnético alrededor de la antena.

También hemos visto que el campo magnético creará un campo eléctrico (voltaje y corriente) en otro cable colocado cerca del transmisor. Resulta que, en el espacio, el campo magnético creado por la antena induce un campo eléctrico en el espacio. Este campo eléctrico induce a su vez otro campo magnético en el espacio, que induce otro campo eléctrico, que induce otro campo magnético, y así sucesivamente. Estos campos eléctricos y magnéticos (campos electromagnéticos) se inducen entre sí en el espacio a la velocidad de la luz, alejándose de la antena.

Radio analógica vs digital

Aunque las fuentes de radio analógicas siguen siendo omnipresentes, las señales digitales como Wi-Fi y Bluetooth han tomado el relevo. En 2009, Estados Unidos ordenó que la mayoría de las estaciones de televisión analógicas por aire tuvieran que cambiar a transmisores digitales. Para muchas estaciones de radio, también está disponible un formato digital conocido como HD Radio.

Sin embargo, las señales de FM siguen siendo el estándar actual, probablemente porque una gran cantidad de vehículos más antiguos en las carreteras todavía dependen de sintonizadores AM/FM.

Las ventajas que aporta una transmisión de radio digital son la fidelidad y la seguridad. Las señales digitales transportan velocidades de datos mucho más altas necesarias para brindar cosas como video de alta definición o Internet inalámbrico. El receptor también recibe el ruido ni la estática que están siempre presentes en las transmisiones analógicas. Sin embargo, el método real de transmisión puede resultar complicado.

Dado que las ondas de radio son una señal analógica tradicional, el transmisor necesita convertir sus datos mediante un convertidor de digital a analógico. Una vez que la antena receptora capta la señal, tiene que «descodificar» los datos a su forma original utilizando un convertidor analógico a digital. Este método parece demasiado complejo, pero permite cosas como el cifrado de datos.

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Esencialmente, la antena receptora debe tener las instrucciones correctas para descodificar los datos digitales convertidos por el transmisor. Sin esas instrucciones, no se puede acceder a los datos. Esta es la razón por la que las personas generalmente no pueden acceder a su Wi-Fi o Bluetooth sin vincularlos con los dispositivos correctos. Este proceso también ayuda a reducir las interferencias de radio en el aire. Por otro lado, cualquier persona en el área puede acceder a las señales de radio analógicas con una antena en funcionamiento.