Por Jeremy Cook
El espectro de radiofrecuencia (RF) está a nuestro alrededor, invisible, transmitiendo señales naturales y creadas por el hombre a una frecuencia…asombrosa. En este artículo se responde la pregunta "¿Qué es RF?" y se explora la manera en que funcionan los reguladores para garantizar el acceso adecuado a este recurso limitado. También se abordará la manera en que 5G se incorpora en la situación.
Física de la radiofrecuencia
En su aspecto más básico, una señal eléctrica variante en una antena puede producir oscilaciones electromagnéticas (es decir, ondas de RF). Estas pueden ser no intencionales (lo que potencialmente causa interferencia con otros dispositivos) o intencionales: señales moduladas cuidadosamente que otras antenas pueden recibir y se pueden interpretar como información útil. La AM (modulación de amplitud), por ejemplo, usa una serie de ondas de frecuencia fija como una onda llamada portadora, mientras cambia la amplitud de estas ondas en serie como una señal modulada.
El espectro de RF se puede definir como ondas electromagnéticas que realizan ciclos de entre 3 Hz y 3000 GHz, lo que le da un amplio rango de características y casos de uso. Considere que una portadora de 3 Hz produce tres ondas electromagnéticas completas por segundo y que la señal modulada que "viaja" en esta portadora normalmente es de una frecuencia más lenta.
Si bien varios factores influyen, una velocidad de transferencia de datos de señal modulada que use una portadora de 3 Hz será extremadamente lenta, y probablemente se exprese en el rango de bits/segundo o incluso en menos. Al otro extremo del espectro, una onda portadora de 3000 GHz posibilitará una señal modulada mucho más rápida y hay un amplio rango de valores (más prácticos) entremedio. Este rango permite las velocidades de transferencia de datos de alta velocidad que ahora damos por sentado en comunicaciones Wi-Fi y celulares, así como en la radio AM y FM tradicional.
Las frecuencias de radio están relacionadas con la velocidad de la luz y son inversamente proporcionales a la longitud de onda, que se expresa mediante la ecuación:
Velocidad de la luz = Longitud de onda x frecuencia
La velocidad de la luz (aproximadamente 3 x 10^8 m/s) nunca cambia, por lo que como la longitud de onda de la señal de RF aumenta, la frecuencia disminuye de manera proporcional y vice versa. Una señal de RF de frecuencia relativamente alta tiene una longitud de onda corta y una señal de RF de frecuencia más baja tiene una longitud de onda mayor.
La desventaja de las señales de alta frecuencia y velocidades de transferencia de datos es que, si bien pueden transmitir un montón de información en una distancia corta, la atmósfera y los objetos cercanos absorben rápidamente estas señales. Como un ejemplo de la vida diaria, considere cómo las velocidades de transferencia de datos de Wi-Fi de 2,4 GHz son por algún motivo más lentas que sus contrapartes de 5 GHz, pero se pueden recepcionar a mayor distancia.
En el extremo de las transmisiones de larga distancia de bajo volumen de datos, las señales en el rango de menos de cien hertz se usan para comunicarse con submarinos, para penetrar la profundidad del océano. La principal desventaja es una velocidad de transferencia de datos muy baja. La otra consideración es que trabajar con longitudes de onda de RF mayores requiere las antenas largas respectivas.
Señales de RF y la reglamentación para prevenir interferencias
Desde que existe un rango de frecuencia fijo en el cual se pueden llevar a cabo las comunicaciones de RF de manera razonable, las ondas aéreas del mundo son, por definición, un recurso limitado. Puede que el concepto de ancho de banda finito haya parecido académico (si es que se consideró del todo) a los pioneros de la RF al comienzo del siglo XX, pero hoy en día la RF se usa para una increíble gama de tecnologías, y se debe asignar con cuidado. Cuando las señales se superponen necesariamente (p. ej., la estación de radio 97,1 MHz en Nueva York y la misma frecuencia en Austin, o los miles de millones de dispositivos Bluetooth en todo el mundo), se establecen límites de potencia para mantener la interferencia en un mínimo.
Considere la cantidad de dispositivos a su alrededor en los que intencionalmente transmite y recibe señales de RF. Los smartphones tienen al menos cuatro modos de RF: Wi-Fi, Bluetooth, celular y GPS. Además, hay una amplia gama de transmisores de RF no intencionales, lo que incluye desde ampolletas hasta motores eléctricos y cableado.
Afortunadamente, las señales de RF del mundo normalmente son compatibles, gracias a la orientación de grupos como International Telecommunication Union (ITU), Federal Communications Commission (FCC) y National Telecommunications and Information Administration (NTIA). Estas organizaciones dividen el espectro en porciones utilizables. Si bien el espectro es limitado debido a nuestra masiva utilización de este recurso, recuerde que este rango se extiende desde 3 Hz hasta 3000 GHz (3 000 000 000 000 Hz, deglosada). La FCC Online Table of Frequency Allocations (Tabla de asignaciones de frecuencias en línea de FCC) es un documento oficial grueso correspondiente de 181 páginas.
¿Cómo funciona 5G con las bandas de frecuencia?
El público simplemente espera que los dispositivos de RF funcionen y rara vez se inmiscuyen en sus complejidades, de manera similar a como esperamos energía eléctrica al enchufar un cable a un tomacorriente de pared. Sin embargo, quizás debido a la fuerte promoción de 5G en la publicidad de empresas portadoras, la RF, y específicamente 5G, es parte de nuestra consciencia colectiva. 5G promete mejores velocidades de transferencia de datos y menor latencia para la transferencia de datos celulares, pero también ha estado sujeta a controversia, lo que incluye temores de que podría interferir con los altímetros de radar que se usan en aviones.
Dejando a un lado las preocupaciones, 5G ahora está implementada en la mayoría del territorio de EE. UU. sin grandes problemas. 5G no usa una sola banda de frecuencia, sino que, como se ha analizado en este artículo, opera en tres rangos de frecuencia distintos. Las frecuencias más altas se usan para velocidades de transferencia de datos altas a distancias cortas de un transmisor, y las frecuencias más bajas transmiten a distancias más largas a velocidades de transferencia de datos más bajas.
5G tampoco es lo mismo que Wi-Fi de 5 GHz, una tecnología de RF que no está nada de relacionada y que tiene un nombre similar. Para agregar más confusión, Wi-Fi 5 usa 5 GHz para la transmisión, pero el 5 significa dispositivo inalámbrico de quinta generación. Adicionalmente, siguen apareciendo nuevas normas de Wi-Fi: Wi-Fi 6 amplía las señales al nuevo rango disponible de 6 GHz, mientras que Wi-Fi 7 usa las mismas bandas que 6E, pero permite el funcionamiento multivínculo y velocidades de hasta 46 Gbps. Obtenga más información sobre las diferencias entre las tecnologías 5G y 5 GHz.
Rango de RF: un recurso limitado que se debe asignar con cuidado
Si bien la frecuencia de RF nunca se "acabará" de la misma manera que el petróleo o los metales de tierra rara, la banda de 3 Hz a 3000 GHz es con lo que tenemos que trabajar. Este rango fue el mismo en los albores de la comunicación por radio a finales del siglo XIX y, a menos que haya un cambio radical en la manera en que comprendemos la física, será el mismo en el futuro.
Para utilizar correctamente este recurso, debemos contar con una cuidadosa asignación de frecuencia con límites de potencia adecuados e innovación tecnológica (como la señalización QPSK) que nos permita transferir más datos sin ocupar más espacio de la frecuencia.
Arrow ofrece una amplia gama de productos y dispositivos de radiofrecuencia de fabricantes líderes de la industria para su próximo proyecto. Por ejemplo, la placa de desarrollo DFR0868 ESP32-C3 le permite comenzar con Wi-Fi y Bluetooth en el mismo módulo.
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