Espectro ensanchado para niños

El espectro ensanchado es una técnica especial que se usa en las telecomunicaciones para enviar información digital, como datos o señales de radio. Imagina que quieres enviar un mensaje. Normalmente, ese mensaje usaría un "camino" de frecuencias muy estrecho. Con el espectro ensanchado, lo que se hace es "extender" ese mensaje por un camino mucho más ancho, usando muchas más frecuencias de las que realmente se necesitan.

Aunque parezca que no se aprovecha bien el espacio de frecuencias, esta técnica es muy útil. Las señales de espectro ensanchado pueden convivir con otras señales que usan caminos más estrechos, porque para ellas solo parecen un poco de "ruido" extra. Además, un receptor que usa esta técnica puede "ignorar" las señales estrechas y concentrarse solo en la señal ensanchada, gracias a un código secreto que conoce.

A esta técnica se le conoce con varios nombres, como espectro expandido, difuso o disperso, pero todos se refieren a lo mismo.

Para que un sistema sea de espectro ensanchado, debe cumplir dos cosas:

• La señal que se envía ocupa un espacio de frecuencias mucho más grande que la señal original.
• El tamaño de ese espacio de frecuencias se decide con una regla especial que no depende del mensaje y que el receptor también conoce.

¿Qué es el Espectro Ensanchado y Para Qué Sirve?

Los ingenieros que diseñan sistemas de comunicación siempre buscan que estos usen la energía y el espacio de frecuencias de la manera más eficiente. Sin embargo, a veces es más importante que el sistema sea fuerte contra las interferencias, que sea difícil de detectar, que permita que muchas personas lo usen al mismo tiempo sin problemas, y que sea seguro para que solo los usuarios autorizados puedan escuchar. Para lograr esto, a veces se sacrifica un poco de esa eficiencia. Las técnicas de espectro ensanchado ayudan a conseguir estos objetivos.

La idea de usar el espectro ensanchado en lugares con muchas interferencias se conoce desde hace unos cuarenta años. Pero ponerlo en práctica ha sido más reciente. Al principio, estas técnicas se desarrollaron para usos militares y eran muy caras. Gracias a los avances en la tecnología, como los chips muy pequeños que contienen miles de componentes electrónicos (llamados VLSI) y las técnicas avanzadas de procesamiento de señales, se pudo crear equipos de espectro ensanchado más económicos para uso civil. Hoy en día, esta tecnología se usa en teléfonos móviles, transmisión de datos inalámbrica y comunicaciones por satélite.

¿Cómo Surgió el Espectro Ensanchado?

La tecnología de espectro ensanchado nació de las necesidades del ejército. Fue un desarrollo importante durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945), donde la tecnología jugó un papel clave. En esa época, era muy común intentar interceptar las señales del enemigo. Por eso, se investigaba mucho para crear formas de evitar que los radares y las balizas de navegación fueran interferidos. Tanto los Aliados como las potencias del Eje experimentaron con sistemas sencillos de espectro ensanchado.

La primera patente pública de un sistema de espectro ensanchado se registró el 11 de agosto de 1942, en plena guerra. Fue creada por la actriz de Hollywood Hedy Lamarr y el pianista George Antheil.

Copia parcial de la solicitud de patente estadounidense presentada por Hedy Lamarr y George Antheil sobre un "Secret Communication System "

Hedy Lamarr, que había conocido a algunas figuras importantes de la época a través de su esposo, tenía información sobre problemas en las comunicaciones. Ella ideó un sistema para guiar misiles por radio que ayudaría a destruir submarinos. La idea de guiar misiles ya existía, pero fallaba porque se podía interferir la frecuencia y dejar el dispositivo inútil. A Lamarr se le ocurrió que la frecuencia podía cambiarse constantemente, como las notas en un piano (lo que la inspiró). Así, se podría controlar un torpedo por radio sin que nadie lo interfiriera. Es decir, si el transmisor y el receptor cambiaban de frecuencia al mismo tiempo y de forma coordinada, sería imposible interferir el control del torpedo. A esta técnica se le conoce hoy como "salto de frecuencia". Después de varios meses de trabajo y diseño, y con la ayuda del gobierno de Estados Unidos, se le concedió la patente.

Sin embargo, se encontraron problemas con el mecanismo, que no era muy adecuado para torpedos, y la Marina de Estados Unidos consideró que el sistema era demasiado vulnerable. La idea fue archivada y Lamarr dejó el proyecto.

En 1957, ingenieros de la empresa Sylvania Electronics Systems Division usaron transistores para desarrollar el sistema inventado por Lamarr. En 1962, el gobierno de EE. UU. adoptó el concepto para sus comunicaciones militares, tres años después de que la patente de Lamarr caducara. Hedy Lamarr nunca ganó dinero por su invento.

Hoy en día, muchos sistemas para voz y datos, tanto civiles como militares, usan el espectro ensanchado, y cada vez se encuentran más aplicaciones. Entre 1995 y 1997, se patentaron más de 1200 ideas relacionadas con esta tecnología.

¿Cómo Funciona el Espectro Disperso?

El "Spread Spectrum" (espectro disperso) fue una técnica muy costosa que se usó casi solo para fines militares hasta principios de los años noventa. Sin embargo, poco a poco ha ido apareciendo en el mercado comercial. Seguramente has oído hablar de las LAN (Redes de Área Local), que conectan ordenadores con cables para que puedan comunicarse dentro de un edificio. Actualmente, también existen las "Radio LAN" (RLAN), que permiten la comunicación inalámbrica entre ordenadores.

Para escuchar un programa de radio, tienes que sintonizar una emisora que transmite en una frecuencia específica. Cada emisora usa un pequeño "trozo" de la banda de frecuencias, donde concentra su potencia de emisión. Este "trocito" se llama ancho de banda y debe ser lo suficientemente grande para que las emisoras cercanas no se interfieran entre sí. Cuanto más estrecho sea el ancho de banda, más emisoras pueden funcionar en una misma banda de frecuencia.

Por ejemplo: La banda de radio FM va de 88 a 108 MHz.

• Si una emisora usa 1 MHz de ancho de banda, cabrían (108-88)/1 = 20 emisoras en la banda FM.
• Si una emisora usa 0.2 MHz (200 kHz) de ancho de banda, cabrían (108-88)/0.2 = 100 emisoras en la banda FM.

Si quisiéramos poner 200 emisoras en la banda FM, cada una tendría que usar solo 100 kHz de ancho de banda. Pero esto causaría problemas, porque las emisiones FM necesitan 200 kHz para transmitir la información con buena calidad. Un ancho de banda menor reduciría la calidad. Este principio se aplica a todas las bandas de frecuencia, como la AM, las de radioaficionados, las de la policía, etc.

Un receptor de radio normal se sintoniza en una frecuencia y recibe una señal con el ancho de banda más pequeño posible, pero suficiente para la información. A estos se les llama receptores de banda estrecha.

En cambio, con el espectro ensanchado, se elige un ancho de banda mucho más grande de lo que se necesita para la información. Esto se puede lograr de dos maneras: 1. Codificando la información: Se mezcla la información con una señal "casi aleatoria" (que parece ruido pero sigue un patrón). Esta información codificada se envía en la frecuencia del emisor, usando un ancho de banda mucho mayor que si no estuviera codificada (esto se llama "secuencia directa"). 2. Codificando la frecuencia: La frecuencia de trabajo cambia constantemente de forma "casi aleatoria". En cada frecuencia se envía un pequeño trozo de información (esto se llama "salto en frecuencia").

Esta forma de "dispersar" la señal puede ser tan grande que un receptor de banda estrecha solo capta ruido. Para recibir la señal dispersa, se necesita un receptor especial con un ancho de banda amplio y un decodificador que pueda transformar ese "zumbido" en información.

Por eso, los militares están muy interesados en esta técnica: es muy difícil interferir una emisora de este tipo. Si se intenta interferir toda la banda de frecuencia, ¡se haría imposible cualquier comunicación por radio! Algunos sistemas de escucha también usan el principio de espectro ensanchado. Las ondas de radio se "sumergen" en el ruido de fondo, lo que hace que la emisora sea difícil de descubrir con los aparatos de detección comunes.

Se espera que el espectro ensanchado se use cada vez más en el comercio para la transmisión de datos. Como la potencia de la señal se extiende sobre una banda ancha, puede usarse junto con otras bandas de frecuencia existentes sin causar interferencias. Esto permite que más usuarios compartan la misma banda de frecuencia. Otra ventaja es la seguridad de la comunicación, ya que la información se envía cifrada. En un sistema RLAN con 100 usuarios que usan espectro ensanchado, solo se necesita una frecuencia de emisión y 100 códigos diferentes. La información se codifica directamente.

Notas

• Una señal 'casi arbitraria' significa que la señal puede tomar valores variados durante un tiempo, y luego se repite. Este tiempo puede ser corto o largo.

Tipos de Espectro Ensanchado

Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada en secuencia directa. La señal en banda estrecha se suprime al transmitir el espectro ensanchado.

Existen varias formas de aplicar el espectro ensanchado:

Sistemas de Secuencia Directa

La secuencia directa es uno de los sistemas de espectro ensanchado más conocidos y usados, y es relativamente sencillo de implementar. Una señal de radio normal (llamada portadora) se mezcla con una secuencia "casi aleatoria" (que parece ruido pero tiene un patrón). Para la secuencia directa, la cantidad de "ensanchamiento" depende de la velocidad de la secuencia "casi aleatoria" por cada bit de información. En el receptor, la información se recupera multiplicando la señal recibida con una copia de la secuencia de código que se genera en el mismo receptor.

Sistemas de Salto de Frecuencia

En los sistemas de salto de frecuencia, la frecuencia de la señal que envía el transmisor cambia (o "salta") de repente, siguiendo una secuencia "casi aleatoria". El orden en que se eligen las frecuencias lo decide esta secuencia de código. El receptor sigue estos cambios y convierte la señal en una frecuencia intermedia constante.

Sistemas de Salto Temporal

Un sistema de salto temporal es un tipo de espectro ensanchado donde el tiempo y la duración de una señal portadora se cambian de forma "casi aleatoria", controlados por una secuencia especial. El salto temporal a menudo se usa junto con el salto de frecuencia para crear un sistema híbrido de espectro ensanchado que permite que muchos usuarios compartan el tiempo (TDMA).

Sistemas de Frecuencia Modulada Pulsada o Chirping

Esta es una técnica de espectro ensanchado menos común. Usa un pulso que "barre" todas las frecuencias, llamado "chirp", para expandir la señal. El chirping, como también se le conoce, se usaba más en radares que en la comunicación de datos, pero recientemente ha comenzado a usarse para esto último en redes como LoRa.

Sistemas Híbridos

Los sistemas híbridos combinan varios métodos de espectro ensanchado para aprovechar las mejores características de cada uno. Dos combinaciones comunes son la "secuencia directa" y el "salto de frecuencia". La ventaja de combinar estos métodos es que se obtienen características que no están disponibles si se usan por separado.

Ventajas y Desventajas del Espectro Ensanchado

El espectro ensanchado tiene características únicas que no se encuentran en otras técnicas de comunicación. Aquí te mostramos algunas de sus ventajas y desventajas:

Ventajas

• Es muy resistente a todo tipo de interferencias, tanto las accidentales como las intencionadas (conocidas como "jamming"), siendo más efectivo contra las de banda estrecha.
• Puede reducir o eliminar el efecto de las interferencias causadas por múltiples caminos que toma la señal (interferencias multitrayecto).
• Permite que varios usuarios compartan la misma banda de frecuencia al mismo tiempo.
• La información transmitida es más segura gracias al uso de códigos "casi aleatorios" (esto se llama multiplexación por división de código).

Desventajas

• No usa el ancho de banda de la manera más eficiente.
• La construcción de los circuitos puede ser muy compleja en algunos casos.

Propiedades Especiales del Espectro Ensanchado

Las secuencias "casi aleatorias" y el gran ancho de banda que generan las señales de espectro ensanchado dan lugar a varias propiedades únicas. Dos de ellas son la capacidad de dirigir la señal a un receptor específico y la multiplexación por división de código. Al asignar una secuencia "casi aleatoria" a un receptor en particular, la información se le envía de forma diferente a otros receptores que tienen una secuencia distinta. Las secuencias también se pueden elegir para que haya la menor interferencia posible entre grupos de receptores. De esta manera, se pueden enviar varias señales al mismo tiempo en la misma frecuencia. Así, la dirección selectiva y el acceso múltiple por división de código (CDMA) se logran gracias a estas secuencias.

Otras dos propiedades importantes son la baja probabilidad de que la señal sea interceptada y la resistencia a las interferencias intencionadas (anti-jamming). Cuando una señal se extiende sobre varios megahercios del espectro, su potencia también se dispersa. Esto hace que la potencia transmitida se extienda sobre un ancho de banda muy grande, lo que dificulta su detección de forma normal (es decir, sin usar la secuencia "casi aleatoria"). Esto también ayuda a reducir las interferencias. De esta forma, el espectro ensanchado puede funcionar bien en entornos difíciles y coexistir con otros servicios en la misma banda de frecuencia. La propiedad anti-jamming se debe al gran ancho de banda que se usa para transmitir la señal.

Si recordamos el teorema de Shannon: ; donde: C = capacidad de transmisión, en bits por segundo W = ancho de banda S = potencia de la señal N = potencia del ruido

Vemos que la capacidad de un canal es proporcional a su ancho de banda y a la relación entre la señal y el ruido. De la ecuación anterior se entiende que al expandir el ancho de banda en varios megahercios, hay suficiente espacio para transportar la cantidad de datos necesaria, lo que ayuda a contrarrestar los efectos del ruido.

Los sistemas de espectro ensanchado tienen al menos cinco cualidades importantes debido a la naturaleza de su señal:

• Con una alta ganancia de procesamiento (la relación entre el ancho de banda de la señal transmitida y el de la señal original) y señales portadoras impredecibles (generadas con las secuencias "casi aleatorias"), es muy difícil que la señal sea interceptada, siempre que la potencia se distribuya uniformemente por todas las frecuencias.
• Las señales portadoras impredecibles aseguran una buena capacidad contra el "jamming". La persona que intenta interferir no puede usar lo que observa de la señal para mejorar su ataque, y debe usar técnicas que no dependan de la señal que quiere interceptar.
• La detección por correlación de señales de banda ancha permite una gran precisión en el tiempo. Las diferencias en el tiempo en que llega la señal de banda ancha se pueden detectar. Esta propiedad se puede usar para eliminar el efecto de múltiples caminos de la señal y también para hacer ineficaces los repetidores de los "jammers".
• Los pares de transmisor-receptor que usan señales "casi aleatorias" diferentes pueden operar en el mismo ancho de banda con muy poca interferencia entre ellos. A estos sistemas se les llama de acceso múltiple por división de código (CDMA).
• Se obtienen propiedades de cifrado porque la modulación de los datos no se puede distinguir de la modulación de la señal portadora. La modulación de la portadora es prácticamente aleatoria para un observador no autorizado. En este caso, la modulación de la portadora en espectro ensanchado actúa como una "llave" en un sistema de cifrado. Un sistema que usa datos indistinguibles y una modulación de portadora en espectro ensanchado forma un sistema seguro.

Galería de imágenes

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  Copia parcial de la solicitud de patente estadounidense presentada por Hedy Lamarr y George Antheil sobre un "Secret Communication System "

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  Comparación de una señal en banda estrecha con una señal modulada en secuencia directa. La señal en banda estrecha se suprime al transmitir el espectro ensanchado.

Véase también

En inglés: Spread spectrum Facts for Kids