Se considera al espectro radioeléctrico como una parte del conjunto de ondas electromagnéticas, situando su límites entre las frecuencias de 30 Hz a 300 GHz. En este rango de frecuencias las ondas radioeléctricas tienen múltiples aplicaciones, particularmente, pero no sólo, en las telecomunicaciones.
Los primeros sistemas de comunicaciones por radio utilizaron la parte inferior de este espectro radioeléctrico, las primeras emisiones se produjeron en onda larga (30 kHz a 300 kHz) mientras que las emisoras de radiodifusión usaron inicialmente la onda media (300 kHz a 3 MHz). Gracias a los avances tecnológicos, especialmente de la electrónica, ha sido posible la utilización de frecuencias más elevadas apareciendo con ellas nuevas aplicaciones. Adicionalmente a las comunicaciones de radiotelefonía punto a punto o de radiodifusión, se han desarrollado otros usos, como: los sistemas de radionavegación, el radar, los radiotelescopios, las comunicaciones móviles, el Wifi, los sistemas de recolección inalámbrica de información de sensores y las aplicaciones en salud.
La Onda Corta. Los radioaficionados
El interés por las radiocomunicaciones no quedó restringido a la administración, a las empresas o al ejercito, sino que atrajo a personas particulares, los radioaficionados, que, aunque inicialmente comenzaron realizando sólo pruebas de recepción, cuando se desarrollaron los equipos pasaron a realizar comunicaciones inalámbricas entre ellos. Así en España, Matías Balsera consiguió en 1904 comunicarse vía radio con la estación de Cádiz de la Compañía Trasatlántica, convirtiéndose en el primer operador de una estación radiotelegráfica de aficionado que existió en España.
En 1906 se celebró en Alemania la Primera Conferencia Radiotelegráfica Internacional a la que asistieron 29 países. En ella se aprobó la obligatoriedad de la conexión de las estaciones costeras a la red internacional, adoptar la señal SOS (··· – – ···) como mensaje de socorro y entre otras resoluciones, la asignación por primera vez de frecuencias a diferentes servicios: inferiores a 188 kHz, onda larga, para comunicaciones a larga distancia de estaciones costeras; de 188 a 500 KHz para uso militar; y de 500 a 1000 KHz, onda media, para el servicio marítimo. Estas regulaciones dejaban las frecuencias superiores del espectro sin asignar y por lo tanto sujeto a experimentación y utilizables por los radioaficionados, aunque en varios países, entre ellos España, se prohibió el establecimiento de estaciones radioeléctricas de ninguna clase para particulares. A pesar de eso se siguieron utilizando, a veces de forma clandestina, y acabaron proliferando en todo el mundo y formando diversas asociaciones de radioaficionados, como el Radio Club de España creado en 1922.
A finales de 1923 tuvieron lugar dos hechos importantes conseguidos por radioaficionados, la comunicación entre Washington y Tokio, a través del océano Pacífico, y la establecida entre Francia y Estados Unidos, sobre le océano atlántico, utilizando ondas cortas, cuyo alcance hasta ese momento se pensaba que era muy reducido. A partir de entonces aumentaron las comunicaciones de los radioaficionados en esa banda, que permitía comunicaciones a muy larga distancia con equipos de baja potencia. En 1924 varios radioaficionados españoles (indicativos EAR) consiguieron comunicaciones a través del océano Atlántico y un año más tarde con Nueva Zelanda.
Radio historia y Técnica. Juan Juliá Enrich
En abril de 1925 en París, se realizó por primera vez un congreso internacional sobre radio afición, tras una propuesta hecha el año anterior por el presidente de la American Radio Relay Leage, con el propósito de unir a todos los radioaficionados del mundo, defender sus intereses y poner en común las experiencias llevadas a cabo por cada uno. En ese congreso se constituyo la International Amateur Radio Union (IARU). El comité designado para estudiar la asignación de frecuencias estableció la recomendación de que las emisiones privadas debían ocupar diferentes bandas dentro del rango de la onda corta.
El espectro electromagnético comprendido entre las frecuencias de 3 MHz y 30 MHz se conoce con el nombre de onda corta o alta frecuencia (HF). En esta banda de frecuencias (también desde frecuencias algo más bajas) se pueden conseguir comunicaciones a muy largas distancias, incluso entre dos partes cualesquiera de la tierra de forma directa, debido al mecanismo de propagación por onda ionosférica. Este mecanismo consiste en la refracción de las ondas en diferentes capas de la ionosfera, parte superior de la atmósfera, situada entre 50 y 400 km, con una elevada proporción de iones. Inicialmente debido a la complejidad de establecer comunicaciones estables y en frecuencias únicas, fueron consideradas de poca utilidad, pero con una adecuada planificación fueron finalmente utilizadas para establecer comunicaciones radiotelefónicas y sistemas de radiodifusión a grandes distancias, además de por los radioaficionados.
El Radar
Las primeras experiencias en la utilización de las ondas electromagnéticas para localizar objetos datan de 1902, cuando Christian Huelsmeyer, inventó un sistema transmisor – receptor, que permitía la detección a distancia de objetos metálicos, por medio de ondas eléctricas. El 30 de abril de 1904 solicitó la patente para el “telemobiloscope”, que se le definía, como un dispositivo anticolisión para barcos. Este dispositivo, trabajando en longitudes de onde de entre 40 y 50 cm (600 y 750 MHz), utilizaba un transmisor de arco y una antena con un reflector de varillas para la transmisión, y un detector mediante cohesor junto con una antena vertical para la recepción, con el que llegó a conseguir detectar barcos en un radio de 3 km, que posteriormente aumentó a 10 km.
Hans Eric Hollmann creó una compañía denominada “Laboratorio para Alta Frecuencia y Electromedicina”, donde se desarrolló la tecnología de alta frecuencia que fue la base del del RADAR acrónimo de “RAdio Detection And Ranging”. Registró un elevado número de patentes en Alemania, varias de ellas también en los Estados Unidos por la compañía Telefunken, a la que él asesoraba y construyó el radar denominado “Wuerzburg” usando modulación de impulsos y como pantalla un tubo de rayos catódicos (CRT). El primer tubo de rayos catódicos moderno se inventó y construyó por Manfred von Ardenne, amigo de Hollman.
En el otoño de 1934 la compañía GEMA, fundada en Alemania con la participación del Dr. Hollman, construyó el primer sistema de RADAR comercial, para detectar barcos. Funcionaba en el margen de longitudes de onda de los 50 cm., podía detectar barcos hasta a 10 km. de distancia. En el verano de 1935 desarrolló un radar de impulsos con el que se podía localizar un barco a 8 kilómetros, con un error de 50 metros, que era suficiente para apuntar un cañón. El mismo sistema podía detectar un avión a 500 m. de altura a una distancia de 28 kilómetros.
En 1935, Robert Watson Watt, al que se atribuye el invento del RADAR moderno, que ya en 1929 conocía los laboratorios de Hollmann y von Ardenne, sugirió la conveniencia de intentar localizar aviones distantes por radioelectricidad. Con esta idea en 1936 se construyeron en la costa oriental de Inglaterra torres de más de 75 metros de altura y se utilizaron equipos en la banda de 30 MHz pudiendo detectarse aviones a distancias de hasta 160 km y alturas de 3000 m.
El principio del Radar consiste en la transmisión de pulsos de ondas radioeléctricas de alta potencia y muy corta duración, que cuando chocan en algún objeto, son reflejados y devueltos en forma de eco. Estos ecos son recogidos por la antena y el receptor y representados en una pantalla de un tubo de rayos catódicos como puntos luminosos. La diferencia temporal entre el impulso original y el eco determina la distancia al objeto, teniendo en cuenta la propagación a la velocidad de la luz de las ondas electromagnéticas y mostrado como la distancia al centro de la pantalla. Utilizando antenas giratorias, se puede determinar también la posición angular del objeto por la posición angular del eco en el tubo de rayos catódicos.
Durante la II Guerra Mundial se trató de buscar frecuencias más elevadas y trasmisores de mayor potencia, que permitieran mediante haces de exploración más estrechos, alcances superiores, mayor precisión en la posición y mejor resolución. Dado que el ángulo de apertura del haz producido por un reflector es directamente proporcional a la longitud de onda de la señal e inversamente proporcional al tamaño del reflector, para hacer operativo el RADAR, especialmente a bordo de vehículos o camuflado adecuadamente, era necesario reducir el tamaño, lo que suponía disminuir el valor de la longitud de onda, o lo que es lo mismo, aumentar el valor de la frecuencia y así, con esta finalidad se desarrollaron equipos trabajando en frecuencias superiores al GHz, denominadas microondas.
En junio de 1940 se inventó el Magnetrón por J. T. Randall y A. H. Boot en la Universidad de Birmingham, consiguiendo en poco tiempo, mediante este tubo de microondas, potencias de centenares de kilovatios a la frecuencia de 10 GHz, siendo uno de los secretos mejor guardados durante la guerra. Desde entonces se han utilizado los radares en cualquier barco o aeronave a partir de cierto tamaño, para detectar obstáculos o navegar en condiciones de niebla o entre nubes, control del tráfico aéreo y desde luego en los sistemas de defensa para la descubrir la presencia de aeronaves o proyectiles o para el guiado de estos últimos.
Museo de Telecomunicaciones ETSIT-UPM
Radionavegación
La radionavegación es la aplicación de ondas de radio para determinar la posición de un objeto sobre la Tierra, ya sea una embarcación o un obstáculo. Al igual que la radiolocalización (Radar), es un tipo de radio determinación. La determinación puede ser para resolver direcciones angulares, distancias, diferencias de distancias o velocidad. Estas técnicas introducidas antes de la I Guerra Mundial siguen utilizándose en la actualidad.
El primer sistema de navegación por radio fue el radiogoniómetro o RDF ”Radio Directional Finder”. Mediante la sintonía de una estación de radio y utilizando una antena direccional, se puede determinar la dirección de la antena de transmisión. Realizando una segunda medición con otra estación separada una cierta distancia y usando la triangulación, la intersección de las dos direcciones revela la ubicación de la estación transmisora. Está técnica fue utilizada como sistema de navegación para aeronaves en las guerras mundiales utilizando una antena rotatoria en el suelo, RDF inverso, y enviando un código morse, distinto para cada estación, cuando se posicionaba en la dirección norte, de forma que se podía determinar el rumbo al cronometrar la diferencia temporal entre la señal morse y el pico de señal, y luego dividirlo por la velocidad de rotación conocida de la estación. El primer sistema de este tipo fue el “Telefunken Kompass Sender” alemán, que comenzó a funcionar en 1907 y fue utilizado operativamente por la flota Zeppelin hasta 1918. Le siguieron varias versiones mejoradas, reemplazando el movimiento mecánico de las antenas con técnicas de fase que producían el mismo patrón de salida sin partes móviles.
El sistema VOR (VHF Omnidrectional Range), es una implementación del sistema RDF inverso, pero más preciso y capaz de automatizarse por completo. Utiliza tres señales de baja frecuencia, una es la identificación de la estación en código Morse y las otras dos son ondas senoidales de 30 Hz cuyas fases varían entre sí, una de referencia con fase constante y la otra con fase variable según la dirección en la que sea emitida. Estas señales modulan una portadora en la banda de VHF. La fase de la señal recibida depende de la posición de la aeronave en relación con la estación VOR, por lo que ofrece información precisa en cada momento de la posición frente a la estación emisora en cuestión. La mayoría de los VOR incluyen el procedimiento de medida de distancia denominado DME “Distance measuring equipment””. El sistema de navegación TACAN (tactical air navigation system) es una versión militar mejorada, con mayor precisión, del VOR, que proporciona al usuario el rumbo y la distancia a una estación terrestre o embarcada.
El sistema de aterrizaje instrumental, ILS, (del inglés: instrument landing system), desarrollado antes de la II Guerra Mundial, es un sistema de ayuda a la navegación que permite que un avión sea guiado con precisión durante la aproximación a la pista de aterrizaje y, en algunos casos, a lo largo de la misma. El ILS utiliza dos señales de radio direccionales, el localizador (frecuencia de 108 a 112 MHz), que proporciona guía horizontal, y la senda de planeo (frecuencia de 329,15 a 335 MHz) para guía vertical. La relación entre la posición de la aeronave y estas señales se muestra en un instrumento de la aeronave. Otros sistemas de radionavegación que han ido quedando en desuso son: el DECCA o el LORAN, cuya versión LORAN-C, fue el sistema de navegación más popular en uso durante las décadas de 1980 y 1990.
Desde los años 60, la navegación se ha ido orientando cada vez más hacia los sistemas de navegación por satélite. Los sistemas de navegación por satélite envían varias señales que se utilizan para decodificar la posición del satélite, la distancia entre el satélite del usuario y la hora exacta del usuario. Una señal codifica los datos de efemérides del satélite, que se utilizan para calcular con precisión la ubicación del satélite en cualquier momento. Estos sistemas son denominados Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), de los que el más conocido es el GPS (Global Positioning System).
Radioenlaces de microondas
Hacia mediados del siglo XX aparecen los primeros Radioenlaces en frecuencias de microondas (frecuencias superiores al GHz), en las cuales el comportamiento de las ondas, mediante la utilización de antenas muy directivas normalmente con reflectores parabólicos, puede ser aproximado por una propagación en línea recta, con lo que el alcance de un enlace no supera la línea de visión directa. Esto obliga al uso de repetidores, normalmente situados en puntos elevados o en torres para conseguir distancias elevadas. Por otro lado, el mayor ancho de banda disponible en este rango de frecuencias va a posibilitar la transmisión de mayor cantidad de información, como múltiples canales telefónicos, canales de televisión o datos.
Algunos experimentos previos al establecimiento estable de radioenlaces con repetidores se realizaron ya en los años 30 del siglo XX. Así, en 1931 y trabajando en la longitud de onda de 17 cm (1,76 GHz), se establece un enlace de un solo canal telefónico a través del Canal de la Mancha entre Dover (Reino Unido) y Calais (Francia) separados una distancia de 64 km. En 1933 se enlazan los aeródromos inglés y francés de Lympu y Saint-Inglevert. Otros enlaces que se pueden mencionar a título histórico son los realizados en 1937 entre Escocia e Irlanda con una longitud de onda de 4 m. y en 1.941, llevado a cabo por los Laboratorios Bell, entre Cap Charles y Norfolk con 12 canales telefónicos y una longitud de onda de 1,90 m. Estos enlaces hertzianos múltiples canales utilizaron modulación de amplitud, aunque estos intentos no tuvieron continuidad ya que, poco tiempo después, se impusieron definitivamente la modulación de frecuencia y posteriormente por impulsos.
El primer sistema comercial, denominado TDX y construido por AT&T, conectó Nueva York y Boston en 1947 con una serie de ocho estaciones repetidoras de radio. A partir de los años 50, los desarrollos en la generación y recepción en frecuencias de microondas llevados a cabo durante la segunda guerra mundial iban a permitir el desarrollo de estos sistemas, siendo ampliamente utilizados en todo el mundo para comunicaciones telefónicas múltiples y señales de televisión.
En España el primer radioenlace de microondas se realiza en 1953 cursando tráfico real de 23 canales telefónicos entre Madrid y El Escorial. Para distancias mayores y el uso de repetidores, la Compañía Telefónica inició la instalación del radioenlace Madrid-Sevilla en 1956. Poco después, se puso en funcionamiento el radioenlace de Televisión Española, Madrid-Barcelona. En ambos casos, en los siguientes años se continuó con la puesta en funcionamiento de una amplia red. A partir de la década de los años setenta, y como consecuencia especialmente de la introducción de los sistemas de conmutación digital, fue adquiriendo importancia la llamada radio digital, inicialmente con técnicas de baja eficiencia espectral, pero que mejoraron con la evolución de la tecnología, ofreciendo una alternativa a los cables para la transmisión de datos a alta velocidad.
de Torre España
Satélites
Los satélites artificiales, que comenzaron a enviarse al espacio en 1957, precisaban por un lado de un sistema de guiado y comunicaciones utilizando ondas de radio y a la vez suponían un medio para establecer enlaces entre puntos distantes de la tierra.
Así, los satélites de comunicaciones funcionan como un repetidor en el espacio, que va a permitir el envío de información de cualquier tipo entre diferentes estaciones en tierra. Estos satélites se pueden situar a diferentes altitudes, los que permiten mayor cobertura y el uso de sistemas fijos en las estaciones terrenas se sitúan en la denominada órbita geoestacionaria (GEO) a 36 000 km de altura sobre la superficie terrestre, de forma que con tres satélites situados adecuadamente puede cubrirse la práctica totalidad de la superficie terrestre. Otras posibles situaciones para cualquier tipo de satélite son las denominadas órbitas media (MEO) y baja (LEO). Esta última está siendo utilizada por diferentes constelaciones de hasta miles de satélites para comunicaciones móviles y acceso a Internet ubicuo. Por otro lado, se han venido utilizando los satélites artificiales para múltiples aplicaciones, satélites meteorológicos, de exploración de la tierra y del espacio, de detección de recursos o catástrofes, y como no, de uso militar.
El primer satélite artificial fue el Sputnik-1 lanzado y puesto en órbita el 4 de octubre de 1957 por la Unión Soviética. No sería posible el envío de cohetes y satélites sin la ayuda de los sistemas de radiocomunicación en operaciones de seguimiento, telemedida y guiado. Todas estas comunicaciones tienen que realizarse con y desde las estaciones de tierra.
El primer satélite experimental de comunicaciones fue el Echo I, puesto en órbita el 12 de agosto de 1960. Consistía en un globo metálico de 30 m de diámetro que se comportaba como un repetidor pasivo que reflejaba las ondas enviadas desde tierra. Sin embargo, el primer satélite activo operativo fue el Telstar I, lanzado por la NASA en julio de 1962 y que permitió por primera vez la transmisión de conversaciones telefónicas y de imágenes de televisión tanto entre instalaciones norteamericanas como con Europa.
Estos satélites, al estar situados en órbitas de baja altura, sólo eran utilizables cuando eran visibles desde las estaciones terrenas, además de precisar de un seguimiento de estos por las antenas de esas estaciones. Para evitar estos inconvenientes era necesario utilizar la órbita geosíncrona, a 42000 km del centro de la tierra y sobre el Ecuador, órbita que ya fue sugerida en 1945 por el científico y escritor Arthur C. Clarke en la revista Wireless World. El satélite Syncom I fue el primero es utilizar esa órbita tras su lanzamiento el 14 de febrero de 1963, aunque quedo inutilizado poco después, le siguió el Symcom II en julio de ese año y el Syncom 3 que, en agosto de 1964, permitió la retransmisión por televisión de los Juegos Olímpicos de Tokio.
A éstos, les siguieron múltiples sistemas de satélites de comunicaciones, liderados durante muchos años por el consorcio internacional INTELSAT, para cursar los servicios internacionales de comunicaciones, inicialmente telefonía y televisión y posteriormente datos, cuyo primer satélite fue e Intelsat I o “Early Bird” (pájaro del alba) lanzado el 6 de abril de 1965. A este primer satélite le han seguido una serie de lanzamientos y puestas en órbitas de satélites cada vez de mayor tamaño y capacidades de comunicaciones. España ha pertenecido este consorcio, a través de la Compañía Telefónica Nacional de España, prácticamente desde su constitución, siendo en su momento un nodo de comunicaciones entre continentes con la estación terrena de Buitrago que se inauguro en 1968.
Otros consorcios como Inmarsart, para comunicaciones marítimas y sistemas regionales como Eutelsat y muchos más han contribuido a la expansión de estos sistemas. Con el paso de los años, muchos países pudieron lanzar sus propios sistemas de comunicaciones por satélite, y así en el primer satélite de comunicaciones español fue el Hispasat 1-A, lanzado en septiembre de 1992. Al año siguiente se envió al espacio en la misma órbita geoestacionaria el Hispasat 1-B, continuando estos lanzamientos con nuevas y mejoradas plataformas.
Los sistemas, Iridium, puesto en funcionamiento en 1998 y Globalstar en 1999, ambos con una constelación de decenas de satélites en órbita baja (LEO), inauguraron las comunicaciones móviles por satélite, Estas constelaciones pueden proporcionar una cobertura global de forma permanente, de modo que en cualquier momento y en cualquier lugar de la Tierra al menos un satélite sea visible. También la utilización de esa órbita de baja altura implica un retraso, latencia, mucho menor en las comunicaciones de la que produce una órbita geoestacionaria. Estas soluciones han llegado a su apogeo con sistemas como OneWeb o Space X, con centenares y miles de satélites respectivamente en esa órbita, con el objetivo principal de proporcionar Internet de banda ancha en cualquier parte de la superficie terrestre. Estas órbitas LEO, también están siendo utilizadas por los sistemas de posicionamiento y navegación por satélite como el GPS americano, en servicio desde 1993, el GLONNASS ruso o el Galileo europeo en funcionamiento desde el año 2019.
Tal saturación de satélites en órbita conlleva varios problemas, entre ellos el impacto en la observación espacial, afectando a los radiotelescopios y produciendo diferentes interferencias. Otro de los grandes problemas de la elevada cantidad de satélites empleados es la producción de desechos espaciales causados por la no retirada de aquellos que dejan de estar en servicio y por el riesgo de una colisión de satélites,
Referencias
- Del semáforo al satélite. Unión Internacional de Telecomunicaciones. 1965.
- Colección Histórico-Tecnológica de Telefónica. Coordinación Rafael Romero Frías. Edit. Fundación Arte y Tecnología.(Telefónica). Madrid, 1994
- Historias de las Telecomunicaciones. Fundación Telefónica, 2012.
- Romeo López. J. M., Museo de Telecomunicaciones. EUIT de Telecomunicación. Madrid, 2005
- https://www.radarworld.org/