UT1.2.0 · Conceptos básicos de radiofrecuencia

Qué es un sistema de radiofrecuencia

Un sistema inalámbrico sustituye el cable (medio guiado) por el aire (medio radiado). Consta de un transmisor (TX) y un receptor (RX), cada uno con su antena, que se comunican por una onda electromagnética: un campo eléctrico (E) y otro magnético (B) que viajan a la velocidad de la luz (unos 300.000 km/s).

La longitud de onda sale de λ = c / f, y decide el tamaño de las antenas. En los sistemas de audio las antenas suelen ser de λ/4 o λ/2.

• No se pueden usar dos transmisores en la misma frecuencia. Una portadora sí puede recibirla cualquier número de receptores.
• El audio va de 20 Hz a 20 kHz; la portadora, en MHz.
• Cada vez es más necesaria la figura del coordinador u operador de RF, que en muchas producciones recae en el microfonista.

Bandas de trabajo: VHF y UHF

Lo habitual es UHF. Entre VHF y UHF no hay diferencia de calidad de audio (no depende de la portadora), pero UHF tiene menos perturbaciones impredecibles (los rebotes mueren antes y las cancelaciones son menos probables) y antenas más cortas.

Propagación de la señal

La onda sufre:

• Reflexión: rebota en una superficie. Las estructuras metálicas son espejos para la RF, incluidos los perfiles de pladur. Una rejilla metálica con huecos mucho menores que λ se comporta como una placa sólida (a 2,4 GHz, λ = 12,5 cm, una rejilla de 1 cm ya lo es).
• Refracción: cambia de dirección al pasar de un medio a otro.
• Difracción: se desvía al encontrar un obstáculo o una rendija.
• Atenuación con la distancia (pérdida en espacio libre):

Además: dropouts (obstáculos, cancelaciones) e interferencias por intermodulación.

Causas prácticas de problemas:

• Ropa con mucha fibra y el propio cuerpo: la absorción por sudor, ropa, etc. puede ser de 10-30 dB. Con la antena de la petaca pegada al cuerpo el equipo radia en torno al 60 % de su potencia.
• Dimmers de iluminación, transformadores de fuentes de alimentación y pantallas LED: generan campos electromagnéticos muy grandes.
• Regla práctica: altura = cobertura. Las antenas, altas y despejadas.

El espectro: TDT, LTE y 5G

Desde mediados del siglo XX la televisión terrestre usa la banda UHF de 470 a 862 MHz (los apuntes dicen «radio y televisión», pero en esa banda solo hay televisión: la radio FM y la televisión de Banda III están en VHF), dividida en canales de 8 MHz (en Europa; en América, sistema NTSC, 6 MHz). Con la TDT se mantuvieron los 8 MHz, pero en cada canal caben ahora hasta 4 programas más radio y otros datos.

Los micrófonos trabajan en los huecos entre canales de TV: dentro de los 8 MHz que los delimitan, evitando los canales ocupados de esa zona. Se localizan con un analizador de espectro (scanner) o consultando los repetidores; ojo, en algunas zonas llegan canales de dos repetidores distintos. Algunos fabricantes (Sennheiser, por ejemplo) nombran por letras los rangos de sus equipos.

• La LTE (4G) emite con más potencia que la TDT: no se trabaja en 790-862 MHz. El hueco de 821-832 MHz (guarda entre subida y bajada de LTE) tampoco es apto.
• Segundo dividendo digital: la banda de 700 MHz pasó al 5G a partir de 2020. Las unidades recogen que desde entonces se podía usar hasta el canal 48 incluido. (Nota: estas unidades se escribieron antes de completarse ese cambio; la situación vigente se comprueba en el CNAF en vigor.)

Organismos y normativa (según las unidades)

• Nacional: la CMT (Comisión del Mercado de las Telecomunicaciones), integrada en 2013 en la CNMC.
• Internacional: ETSI (European Telecommunications Standards Institute) e ITU/UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones).
• CNAF (Cuadro Nacional de Atribución de Frecuencias). Notas que citan los apuntes (CNAF 2017): UN-36 TV digital (470-786 MHz), UN-81 micrófonos en 30 MHz, UN-95 micrófonos en VHF (5 canales en 174-179 MHz), UN-105 banda de 174-181 MHz, UN-118 micrófonos en UHF (863-865 MHz), UN-119 micrófonos profesionales (1785-1805 MHz). La guía de AFIAL amplía esto en la unidad siguiente.

El transmisor: procesos del audio

Cadena del TX analógico: ajuste de ganancia de entrada → pre-énfasis → compresor (del compander) → limitador → modulador.

• Pre-énfasis / de-énfasis: el audio tiene más energía en graves que en agudos, así que los agudos quedarían con mala relación S/N. El TX realza los agudos y el RX los reduce en la misma medida, y con ello reduce también el ruido de alta frecuencia. No existe en sistemas digitales.
• Compander (compresor en el TX, expansor en el RX): reduce el ruido y maximiza la dinámica. Es lo que distingue a un fabricante de otro en calidad de audio (el mismo micro no suena igual en inalámbricos de marcas distintas); algunos fabricantes imitan el compander de otros. No existe en micrófonos digitales.

Modulación

Modular es llevar la información (el audio, banda base de 20 Hz a 20 kHz) sobre una onda portadora. Ventajas: se necesita menos potencia (equipos pequeños y con más autonomía), la señal llega más lejos y supera más obstáculos, y con λ pequeñas los equipos son más pequeños.

• Analógicas: AM, FM, PM.
• Digitales: ASK, FSK, PSK, QAM, QPSK.

La AM se descartó para micrófonos porque exige mucha autonomía eléctrica. La analógica profesional usa FM:

• Al elegir la frecuencia de un inalámbrico, elegimos la frecuencia de la portadora.
• La frecuencia del audio marca la rapidez de las oscilaciones de la portadora; el nivel del audio, cuánto se desvía de su frecuencia nominal.
• A más ancho de banda de audio y a más nivel, más desviación; los fabricantes limitan las dos cosas.
• Un micrófono no puede ocupar más de 200 kHz una vez modulado (en FM o en digital). Los walkies, con audio de 300 a 3.400 Hz, tienen potencia máxima de 250 mW.

Modulación digital

El audio se digitaliza en tiempo real, con ancho de banda constante:

Una señal mono AES con calidad broadcast: 48.000 × 1 × 24 ≈ 1,15 Mbps, muy por encima de los 200 kHz permitidos (en ASK, FSK y PSK, 1 bps ≈ 1 Hz). Por eso hay que añadir compresión y corrección de errores y usar modulación en cuadratura (QPSK/4PSK, QAM: 4-QAM, 16-QAM, 64-QAM), que mete varios bits en cada símbolo. Convertir el flujo de bits en variaciones de la portadora se llama mapeo, y cada punto es un símbolo (se varía amplitud, frecuencia o fase).

En digital el ancho de banda es constante (el máximo permitido, sea cual sea el audio; en FM varía con el audio) y la potencia fija, así que el fabricante busca un compromiso entre alcance y calidad de audio.

El receptor

La antena del receptor es el primer filtro: separa nuestra señal de todas las del espectro.

• Relación S/N en RF: distancia entre el ruido de fondo electromagnético y nuestra señal útil; cuanto mayor, mejor (ruido residual típico en una zona urbana muy cargada, del orden de −80 dBm).
• Efecto captura (FM): el receptor siempre se queda con la señal más fuerte, aunque sea ruido o una señal ajena. Basta con que la segunda señal esté unos 3 o 4 dB por encima. Unos pocos dB deciden si la recepción es aceptable.

Cómo mejorar la S/N:

1. Reducir la distancia TX-RX: al doblar la distancia llega 4 veces menos señal.
2. Antenas con más ganancia (en TX y en RX).
3. Bloquear señales y ruido que no interesan.
4. Usar sistemas diversity.

Sistemas de recepción

1. No-diversity: una sola antena. Casi no se usan en microfonía por el riesgo de drop-outs; sí en in-ear (por espacio y circuitería).
2. Diversity pasivo: varias antenas en la misma toma de un receptor. Menos drop-outs, pero alto riesgo de cancelaciones en la antena.
3. Switch diversity: 2 antenas y un conmutador interno que elige la que mejor recibe.
4. True diversity: 2 antenas y dos receptores en un chasis; la conmutación es posterior a la recepción y el procesador elige la que llega con mejor calidad. Es el de los receptores profesionales.

Las antenas de un diversity deben trabajar en igualdad de condiciones (iguales, con la misma longitud de cable); si no, hay que compensarlo.

• Squelch: umbral por debajo del cual el receptor enmudece. Para escanear conviene ponerlo bajo y luego subirlo; en equipos sin scanner, no pasar del 40-50 % de su valor máximo.
• Tono piloto (subtono): el receptor solo abre si recibe también ese tono. Los digitales no tienen squelch: el tono piloto va implícito en los ceros y unos.
• Encriptado: los sistemas controlados digitalmente codifican el audio; sin él es muy fácil interceptar una transmisión o sabotearla con una señal más potente.
• Escáner de frecuencias: el equipo trae frecuencias probadas para funcionar juntas, organizadas en bancos, y el escaneo dice cuáles están libres.

Recepción en digital

Puede llegar buen nivel de RF y el audio no servir, si la tasa de error (BER) es alta. En analógico se mide la S/N; en digital, la BER. Por eso los digitales necesitan una S/N 12 dB mayor. Sus portadoras ocupan más, pero caben más en el mismo espacio porque intermodulan mucho menos; a menor potencia, menos intermodulación (se recomienda hasta 1 mW para juntar muchos equipos, a costa de alcance). En analógico las potencias van de 10 mW a 30 o 50 mW. Los digitales gastan más batería.

Antenas

• Ganancia: potencia máxima radiada en la dirección de propagación, en dBd (respecto al dipolo de media onda) o dBi (respecto a la antena isotrópica teórica). dBi = dBd + 2,15. Ganancia 0 dB = omnidireccional; alta ganancia = muy sensible en una dirección y poco en el resto.
• Eficiencia: cuánta de la potencia que recibe llega a radiar.
• Impedancia: en RF (cables y antenas), 50 Ω.
• Polarización: posición del elemento radiante respecto al plano de tierra; la onda se polariza en el sentido del campo eléctrico. Los micrófonos suelen usar polarización vertical; los TX de mano llevan antenas helicoidales que emiten en las dos. Con una antena vertical y otra horizontal se pueden perder hasta 20 dB; en recintos cerrados, por las reflexiones, unos 10 dB.

Tipos:

• Monopolo (varilla): la de serie; omnidireccional, normalmente λ/4. Radia por la varilla y por el chasis (plano de tierra), que va a tierra. No se puede separar del receptor con un cable: para alejarla hay que usar una antena de plano de tierra.
• Dipolo: dos monopolos, normalmente λ/2; omnidireccional, cubre prácticamente todo UHF.
• LPDA (Log Periodic Dipole Array): varios dipolos en un plano; muy directiva, con rechazo trasero; 4 a 7 dBi (más si es activa).
• Helicoidal: la más directiva (haz estrecho, llega más lejos); 8 a 12 dBi siendo pasiva; polarización circular, ideal para IEM porque al receptor le da igual su orientación (unos 60° de cobertura vertical y 90° horizontal).

Distribución y cableado

• Splitter pasivo: no necesita alimentación. Como más de 5 dB de pérdida entre antena y receptor no es admisible, solo permite una división. Si una salida se cortocircuita, no funciona ninguna. No sirve para sumar.
• Splitter activo: recomendable con más de dos receptores.
• Cable: la pérdida por longitud es determinante; hasta 5 dB es aceptable, más no.
• Conectores: cables y conectores de RF de 50 Ω; los de 75 Ω (vídeo) tienen el pin central más estrecho.
• Booster: amplificador de línea que compensa la pérdida del cable; se alimenta por el propio cable de antena desde el RX o el splitter, y cada fabricante pide su tensión.
• Filtros: antenas y boosters pueden filtrar un rango; hay que revisarlo para no amplificar lo que ya se filtró.

Cálculo de la cadena de RF

La potencia máxima de emisión de estos equipos en España ronda los 50 mW = 17 dBm (a 1 m del TX quedan unos −23 dBm). Una buena recepción está entre −10 y −30 dBm.

Ojo con estas dos cifras, que son las de los apuntes: los −23 dBm a 1 m suponen 40 dB de pérdida en el primer metro, bastante más de lo que da la fórmula de espacio libre (a unos 600 MHz y 1 m salen unos 28 dB, es decir, unos −11 dBm). Y en la práctica un receptor inalámbrico ya recibe bien con niveles mucho más bajos, del orden de −40 a −60 dBm. Si te preguntan por las cifras de los apuntes, son estas; si te preguntan por el criterio, la recepción es buena mientras la señal quede muy por encima de la sensibilidad del receptor.

Se tienen en cuenta: potencia del TX, sensibilidad del RX, ganancia de las antenas, pérdidas (cables, divisores) y la frecuencia.