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Llevando la radioafición al extremo: modulando luz para transmitir audio


Desde sus inicios, los aficionados a la radio y las telecomunicaciones siempre se han visto atraídos por la infinidad de posibilidades que ofrece este mundo a la hora de establecer comunicaciones de larga distancia.

Los incontables tipos de propagación (ionosférica, onda de tierra, transecuatorial, conductos troposféricos, dispersión meteórica, rebote en auroras, rebote lunar, dispersión por lluvia y muchas más) o las distintas modulaciones utilizadas (FM, AM, banda lateral, CW y modos de transmisión digital) son prueba de la increíble profundidad y elegancia que rodea a la radio. Sin embargo, de entre todas estas variantes, hay una que destaca sobre el resto: la frecuencia usada en la comunicación.

Telecomunicaciones, radioaficionados, modulaciones, frecuencias… ¿Qué es todo esto?

Empecemos por el principio.

El objetivo de un ingeniero de telecomunicación no es más que “ingeniárselas” para conseguir enviar una cierta información de un lugar a otro. Para ello, parte de un medio físico (aire, corriente eléctrica, campo electromagnético…) y modifica uno de los parámetros que lo definen (presión, tensión, temperatura, corriente eléctrica) para incluir en él la información a mandar.

Pongamos como ejemplo la propia voz. Podríamos elegir como medio de transmisión el aire, y variar la presión en función del sonido que quisiéramos transmitir. De este modo funciona el habla humana.

Sin embargo, el habla tiene un gran inconveniente: su alcance es muy limitado. Por eso, buscando otras opciones, se nos ocurre utilizar una corriente eléctrica que varíe (se haga más grande o más pequeña) en función de la voz. Sin ir más lejos, este es el objetivo de los micrófonos, los cuales, mediante una membrana, transforman las ondas de presión del aire en impulsos eléctricos. Una vez convertida la voz en corriente, es más fácil de transportar a lugares lejanos.

Por último, podemos pensar que una desventaja del uso de corriente eléctrica es la necesidad de un cable para transportar dicha información. Por ello, se utilizan ondas electromagnéticas.

Para los más interesados en matemáticas, esta es la definición formal de una onda estática en el espacio:u(t)=Acos(2πft+ϕ)u(t)=Acos⁡(2πft+ϕ)

Al parámetro AA que multiplica la expresión lo llamamos amplitud, e indica cómo de potente es la onda. A ff lo llamamos frecuencia, y determina la velocidad de oscilación de la onda. Por último, tenemos a ϕϕ, la fase de la onda, que simplemente informa del valor que tomaba la onda en el instante inicial ( t=0t=0 ).

Una vez explicado esto, podemos ya empezar a pensar cómo introducir la señal que nos interesa en una onda. Como explicamos anteriormente, debemos elegir un parámetro a modificar en función de la información a transmitir. En caso de elegir AA, estaremos ante una Amplitud Modulada (AM). Modificando ff, tendríamos una Frecuencia Modulada (FM). Variando ϕϕ, obtendríamos una Fase Modulada (PM).

En telecomunicaciones, llamamos modular a modificar una onda para incluir en ella la señal que queremos.

Si hasta aquí has llegado sano y salvo, enhorabuena. Lo más duro del post ya ha pasado.

Por completar un poco, es importante hablar de lo que es un radioaficionado. Un radioaficionado no es más que una persona con concesión o licenciaa para transmitir ondas. Para evitar interferencias con radios, móviles, televisiones y demás, es necesario ceñirse a una normativa estricta a la hora de realizar emisiones. De forma no profesional, esto sólo lo pueden hacer radioaficionados tras aprobar el examen y obtener la autorización correspondiente.

¿Y qué es la luz?

Con perdón de los físicos, a quienes seguro les encantaría hablar de fotones, bosones y ecuaciones de onda, la realidad es que, salvo a nivel cuántico, la luz se comporta como una onda. Sí, una onda. Igual que las que se utilizan para la radio o el WiFi. La única peculiaridad que tiene es contar con una frecuencia altísima, miles o millones de veces superior a las que utilizamos en nuestro día a día, lo que nos dota de la capacidad de percibirla con los ojos.

Como se puede ver en esta imagen, a la izquierda tenemos las ondas de frecuencias menores. Cuando hablamos que Los 40 Urban están en 103,9MHz o que el WiFi usa 2,4GHz, nos estamos refiriendo a ondas situadas en la zona inicial del gráfico. Ascendiendo en frecuencia acabamos alcanzando la luz visible, con frecuencias en torno a 500THz. Si siguiéramos hacia la derecha, podríamos encontrar ondas de frecuencias extremadamente altas, como los Rayos X o Gamma. Este tipo de ondas no se utiliza en la práctica al tratarse de radiaciones ionizantes (dañinas para el organismo).

Utilizando luz para transmitir audio

Tenemos entonces que, por un lado, podemos utilizar las ondas para transmitir información y, por otro, la luz es una onda electromagnética. Entonces, ¿por qué no combinar ambas?

Esta idea se nos ocurrió a los estudiantes del RadioClub a mediados del año pasado, y, tras las correspondientes etapas de diseño, simulación y prototipado, conseguimos un sistema capaz de modular un láser para mandar señales de audio a través de un haz de luz.

El sistema de basa en tres sencillos pasos:

Primer paso: Elegir qué componente de la onda utilizar.

Recordemos que, con las ondas, tenemos la opción de guardar nuestra información en su amplitud, su frecuencia o su fase. Olvidémonos de la fase por comodidad por ahora y centrémonos en las dos primeras.

Una primera opción sería aplicar una modulación en frecuencia (FM, la misma que se utiliza en emisoras de radio comercial). El resultado sería bastante llamativo, ya que, de usar una máxima desviación en frecuencia suficientemente elevada, acabaríamos con una fuente de luz de color variable: Para señales más elevadas, se emitirían frecuencias más altas (colores cercanos al violeta) y, para señales inferiores, frecuencias más bajas (colores cercanos al rojo).

Esta opción tiene un gran problema, y es la dificultad de implementarla de forma barata y de andar por casa. Como cualquiera puede darse cuenta, tanto láseres como LEDs funcionan a una frecuencia única imposible de variar que depende de su composición química.

Pasemos entonces a la segunda opción: utilizar una modulación en amplitud (AM, utilizadas en radios antiguas del siglo pasado). Aparenta ser la opción más intuitiva, dado que, a priori, bastaría emitir una onda más potente cuando la información que se quiere transmitir toma valores mayores y más débil en caso contrario.

En la siguiente imagen se ilustra, en la zona superior, una señal de ejemplo que querríamos transmitir y, debajo, ésta misma modulada en AM.

Dada la increíble frecuencia de la luz roja del láser, el resultado final sería más similar a lo representado a continuación:

Segundo paso: Implementar el transmisor

Ya sabemos lo que buscamos, variar la amplitud de la onda en función del audio. Pero, ¿cómo implementamos esto en un circuito?

Démonos cuenta que la amplitud de la onda es proporcional a la potencia emitida por el láser, por lo que nuestro objetivo no es sino variar su potencia conforme a la señal de entrada. Además, a grandes rasgos y sin entrar en detalles técnicos (ver figura siguiente, curva P-I de un láser), sabemos que la potencia emitida por un láser es proporcional a la corriente con que se alimenta.

Bien, problema casi resuelto. Sólo nos queda saber cómo cambiar una corriente en función de sonido. Si conectamos un reproductor (MP3, móvil, etc.), esto se resuelve automáticamente. Si, por el contrario, queremos enviar nuestra propia voz, ¡un simple micrófono sería todo lo que necesitaríamos!

Tercer paso: recuperar el audio

Transmitir está muy bien y es muy interesante. Sin embargo, en las telecomunicaciones, la verdadera magia sucede en los receptores. Esto se debe a que, aunque muchas veces no nos demos cuenta, la señal que el receptor está captando puede ser muy distinta a la original. Principalmente, existen dos fenómenos que degradan la calidad de nuestra señal:

  • Atenuación: Démonos cuenta de que no tenemos el transmisor justo al lado del receptor. La luz, debido a fenómenos como la difracción o dispersión (por muy recto que parezca el haz de un láser, éste se difumina por el camino), la señal que recibamos estará atenuada.
  • Ruido: Nuestro experimento no se va a llevar a cabo en un cuarto oscuro, sino que habrá otras fuentes de luz (luz solar, lámparas, pantallas…) que generarán interferencias con la señal que estamos transmitiendo. En telecomunicaciones llamamos ruido a toda aquella señal no deseada captada por el receptor.

Gran parte de nuestra carrera se basa en saber hacer frente a estos dos problemas. Para ello, cursamos varias asignaturas donde se estudian técnicas como las siguientes:

  • Amplificación: Solución lógica al problema de la atenuación. No se basa más que en un amplificador de señal que devuelva la corriente a su nivel original.
  • Filtrado: A fin de evitar un ruido excesivo que deteriore la señal, es necesario de algún mecanismo capaz de “elegir” o seleccionar justo la señal que estamos enviando, discriminándola de posibles interferencias. A este sistema se le denomina filtro. Se implementan mediante complejos modelos matemáticos, pero, a grandes rasgos, hace uso de técnicas estadísticas o de análisis de frecuencia para eliminar las componentes que corrompen la señal.

Tras las etapas de filtrado y amplificación, se puede conectar directamente un altavoz para escuchar el audio recibido.

Un poco más técnico

Para los lectores más avanzados, nuestro diseño se basa en gran parte en los diseños de KA7OEI. Éstos fueron modificados con componentes más modernos capaces de ofrecer una menor figura de ruido global del receptor y un audio más limpio en transmisión.

El laser elegido es un modelo genérico. Como paso previo, es necesaria su caracterización, mediante la obtención de su curva P-I. A continuación, se selecciona el punto medio de la pendiente de la curva como corriente de polarización o bias. Finalmente, se adecua el nivel de audio del reproductor o micrófono de tal forma que se obtenga el mayor índice de modulación posible.

Se plantea en un futuro la incorporación de una segunda etapa de amplificación en recepción mediante un LM386. Además, se diseñarán placas de circuito impreso con estos diseños, a fin de dotar al sistema de una mayor rigidez y consistencia.

De cara al mundo de la radioafición, conviene destacar que se tiene planeado realizar pruebas de alcance con distintos sistemas tanto transmisores (láseres de diversas potencias y colores) como receptores (uso de lentes de Fresnel).


De: mamado@EA1FID

Mario

Amante de la radio.

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