2019/06/11

Teleco in a nutshell v2.0: Ondas

¿Qué es una onda?, dices mientras clavas...


Es broma :)

Una onda es una perturbación oscilatoria que se propaga por un medio. Olas, el sonido, terremotos... todo son ondas. Sin embargo, aquí nos centraremos en un tipo específico: las ondas electromagnéticas. Estas ondas se propagan a través del campo electromagnético, que existe en todos los puntos del universo. Es por esto que podemos tener comunicación con elementos en el espacio profundo. De hecho, y como veremos en un post más adelante, la transmisión por el vacío apenas tiene pérdidas, ya que no hay nada que "moleste" a nuestra señal.

Las ondas electromagnéticas se propagan en las tres direcciones del espacio, lo cual hace que sean muy complicadas de representar gráficamente. Por esto, normalmente lo que vemos son representaciones simplificadas en forma de sinusoide (senos o cosenos, como los veíamos en matemáticas), que pueden servir para cualquier tipo de onda transversal, es decir aquellas cuya dirección de propagación es perpendicular a la de oscilación (por ejemplo, una ola es tranversal pero el sonido no lo es):

Onda
En el diagrama anterior vemos cómo es una onda en función del tiempo (azul) y el espacio (rojo). Lo dividimos así para explicaros dos conceptos relacionados: la longitud de onda (λ) y el periodo (T). La longitud de onda es la distancia entre dos puntos iguales de una onda, es decir, si elegimos un punto de la onda (por ejemplo un máximo como en el diagrama); la longitud de onda será la distancia que recorre la onda hasta obtener el mismo punto (otro máximo). Por otro lado, el periodo es el tiempo que tarda una onda en realizar una oscilación, es decir, lo que tarda la onda en avanzar una longitud de onda. Normalmente estamos más acostumbrados a oir hablar de frecuencia (f), que simplemente es la inversa del periodo (f=1/T), es decir, el número de oscilaciones que hace la onda en un segundo, y se mide en Hercios (Hz).

Si alguno os acordáis de las clases de física del instituto, nos contaron que el espacio y el tiempo se relacionaban a través de la velocidad, y ¿cuál es la velocidad de una onda electromagnética? Aproximadamente la de la luz (c), según el medio. Por tanto, podemos considerar que λ=c*T.

Otro parámetro que vemos en el diagrama es la amplitud (A), que simplemente es la "cantidad" de perturbación de la onda, o la distancia máxima que se separa del punto nulo. Podemos considerar que la amplitud es la "fuerza" de la onda, pero normalmente estamos más acostumbtrados a relacionar esto con la potencia, que es el cuadrado de la amplitud (P=A^2). Supongo que no os sorprenderé si os digo que la potencia se mide en vatios (W).

Como hemos dicho, el diagrama anterior es una simplificación brutal de lo que es una onda. De hecho, si esa onda se introdujese en un altavoz (que se puede considerar un conversor de señal electromagnética a señal acústica) lo que oiríamos sería un pitido, siempre y cuando la frecuencia de esa onda estuviese dentro del rango de audición humano (de 20Hz a 20kHz). En la vida real enviamos informaciones bastante más complejas que un pitido (saludos, señor Morse), por lo que hacemos es enviar ondas mucho más complejas. Por ejemplo, si habéis visto alguna vez la representación de una onda de sonido, es una señal mucho más compleja (a partir de ahora hablaremos mejor de señales que de ondas, considerando que una señal es una onda que transmite información).
Ejemplo de señal de sonido [fuente: Wikimedia Commons]
Lo primero que tenemos que tener en cuenta es que normalmente no vemos la onda, sino su envolvente, que es la variación de la amplitud máxima de la onda a lo largo del tiempo. Lo segundo es que para obtener señales así de complejas lo que se hace es sumar una enorme cantidad de señales simples de distintas frecuencias y amplitudes que van variando a lo largo del tiempo. Esto es lo que se denomina interferencia o superposición entre dos ondas, concepto que iremos viendo en más detalle en futuros posts. 
Interferencia entre dos ondas [Fuente: Sistemas en Comunicaciones]
Os invitamos a buscar en Google lo siguiente, para que veáis el concepto básico:
  • sin(x)     //Veremos una señal sinusoidal
  • sin(2x)     //Veremos la misma señal, pero con el doble de frecuencia (mitad de periodo)
  • sin(x)+sin(2x)     //Veremos una señal algo más compleja, interferencia de las dos anteriores
  • 10sin(x)+sin(10x)     //Veremos una señal muy compleja, pero donde se pueden apreciar ambas por separado: la sinusoide amplia es como la original y la pequeña tiene un periodo 10 veces menor (tened en cuenta que los máximos de la pequeña no están en el mismo punto debido al efecto de la sinusoide grande).
Pues bien, si has llegado hasta aquí (enhorabuena), ya conoces los coceptos básicos de las ondas, y vamos a cerrar el post con un concepto más avanzado, que es imprescindible.

Para este vais a tener que hacer un pequeño acto de fe... Hay una herramienta matemática llamada serie de Fourier que permite descomponer cualquier señal en una suma de sinusoides con distintas frecuencias y amplitudes. No vamos a entrar en detalles matemáticos (sobre todo porque queremos que nos sigáis leyendo), simplemente tened en cuenta que según la forma de la señal original, se necesitarán más o menos sinusoides "puras" para su descomposición. Este concepto nos abre un mundo nuevo para trabajar con las ondas en el dominio de la frecuencia... Pero eso ya para otro día :)

Serie de Fourier. Cada vez se suma una sinusoide más, hasta obtener señal original [Fuente: Wikimedia Commons]
¡Gracias por leernos y nos vemos en el siguiente post!


Si os habéis quedado con ganas de más:
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