1.3.- ESPECTRO DE FRECUENCIAEl espectro de frecuencia de un
fenmeno ondulatorio (sonoro, luminoso o electromagntico),
superposicin de ondas de varias frecuencias, es una medida de la
distribucin de amplitudes de cada frecuencia. Tambin se llama
espectro de frecuencia al grfico de intensidad frente a frecuencia
de una onda particular.El espectro de frecuencias o descomposicin
espectral de frecuencias puede aplicarse a cualquier concepto
asociado con frecuencia o movimientos ondulatorios, sonoro y
electromagntico = Una fuente de luz puede tener muchos colores
mezclados en diferentes cantidades (intensidades).
Espectro de frecuencias de la luz emitida por tomos
dehierrolibres en la regin visible del espectro
electromagntico.
Se caracteriza por la distribucin de amplitudes para cada
frecuencia de un fenmeno ondulatorio (sonoro, luminoso o
electromagntico) que sea superposicin de ondas de varias
frecuencias. Tambin se llama espectro de frecuencia al grfico de
intensidad frente a frecuencia de una onda particular.El espectro
de frecuencias o descomposicin espectral de frecuencias puede
aplicarse a cualquier concepto asociado confrecuenciao movimientos
ondulatorios como son los colores, las notas musicales, las ondas
electromagnticas de radio o TV e incluso la rotacin regular de la
tierra.
Espectro luminoso, sonoro y electromagnticoUnafuente de luzpuede
tener muchos colores mezclados en diferentes cantidades
(intensidades). Un arcoris, o un prisma transparente, deflecta cada
fotn segn su frecuencia en un ngulo ligeramente diferente. Eso nos
permite ver cada componente de la luz inicial por separado. Un
grfico de la intensidad de cada color deflactado por un prisma que
muestre la cantidad de cada color es el espectro de frecuencia de
la luz oespectro luminoso. Cuando todas las frecuencias visibles
estn presentes por igual, el efecto es el "color" blanco, y el
espectro de frecuencias es uniforme, lo que se representa por una
lnea plana. De hecho cualquier espectro de frecuencia que consista
en una lnea plana se llamablancode ah que hablemos no solo de
"color blanco" sino tambin de "ruido blanco".
Espectrograma. Las franjas oscuras representan las frecuencias
para las cuales la amplitud de la onda sonora es mayor.
Unafuente de ondas sonoraspuede ser una superposicin de
frecuencias diferentes. Cada frecuencia estimula una parte
diferente de nuestracclea(caracol del odo). Cuando escuchamos una
onda sonora con una sola frecuencia predominante escuchamos una
nota. Pero en cambio un silbido cualquiera o un golpe repentino que
estimule todos los receptores, diremos que contiene frecuencias
dentro de todo el rango audible. Muchas cosas en nuestro entorno
que calificamos comoruidofrecuentemente contienen frecuencias de
todo el rango audible. As cuando un espectro de frecuencia de un
sonido, oespectro sonoro. Cuando este espectro viene dada por una
lnea plana, decimos que el sonido asociado esruido blanco. Otro
ejemplo de espectro de frecuencias de ondas sonoras es el
encontrado en el anlisis de la voz humana, por ejemplo cada vocal
puede caracterizarse por la suma de ondas sonoras cuyas frecuencias
recaen sobre bandas de frecuencia, denominadasformante, el oido
humano es capaz de distinguir unas vocales de otras gracias a que
puede discriminar dichos formantes, es decir, conocer parte del
espectro de frecuencias presentes en una onda sonora que produce la
articulacin de dicha vocal.Cada estacin emisora deradiooTVes
unafuente de ondas electromagnticasque emite ondas cercanas a una
frecuencia dada. En general las frecuencias se concentrar en una
banda alrededor de la frecuencia nominal de la estacin, a esta
banda es a lo que llamamoscanal. Una antena receptora de radio
condensa diferentes ondas electromagnticas en una nica seal de
amplitud de voltaje, que puede ser a su vez decodificada nuevamente
en una seal de amplitud sonora, que es el sonido que omos al
encender la radio. El sintonizador de la radio selecciona el canal,
de un modo similar a como nuestros receptores de la cclea
seleccionan una determinada nota. Algunos canales son dbiles y
otros fuertes. Si hacemos un grfico de la intensidad del canal
respecto a su frecuencia obtenemos elespectro electromagnticode la
seal receptora.Anlisis espectral
Ejemplo de forma de onda de la voz y su espectro de
frecuencia.
Unaonda triangularrepresentada en el dominio temporal (arriba) y
en el dominio frecuencia (abajo). La frecuenciaest en torno a 220
Hz.Anlisisse refiere a la accin de descomponer algo complejo en
partes simples o identificar en ese algo complejo las partes ms
simples que lo forman. Como se ha visto, hay una base fsica para
modelar la luz, el sonido o las ondas de radio en superposicin de
diferentes frecuencias. Un proceso que cuantifique las diversas
intensidades de cada frecuencia se llamaanlisis
espectral.Matemticamente el anlisis espectral est relacionado con
una herramienta llamadatransformada de Fouriero anlisis de Fourier.
Dada una seal o fenmeno ondulatorio de amplitudesta se pude
escribir matemticamente como la siguiente combinacin lineal
generalizada:
Es decir, la seal puede ser concebida como la transformada de
Fourier de la amplitud. Ese anlisis puede llevarse a cabo para
pequeos intervalos de tiempo, o menos frecuentemente para
intervalos largos, o incluso puede realizarse el anlisis espectral
de una funcin determinista (tal como). Adems latransformada de
Fourierde una funcin no slo permite hacer una descomposicin
espectral de los formantes de una onda o seal oscilatoria, sino que
con el espectro generado por el anlisis de Fourier incluso se puede
reconstruir (sintetizar) la funcin original mediante la
transformada inversa. Para poder hacer eso, la transformada no
solamente contiene informacin sobre la intensidad de determinada
frecuencia, sino tambin sobre sufase. Esta informacin se puede
representar como un vector bidimensional o como un nmero complejo.
En las representaciones grficas, frecuentemente slo se representa
el mdulo al cuadrado de ese nmero, y el grfico resultante se conoce
comoespectro de potenciaodensidad espectral de potencia(SP):
Es importante recordar que la transformada de Fourier de una
onda aleatoria, mejor dicho estocstica, es tambin aleatoria. Un
ejemplo de este tipo de onda es el ruido ambiental. Por tanto para
representar una onda de ese tipo se requiere cierto tipo de
promediado para representar adecuadamente la distribucin
frecuencial. Para seales estocsticas digitalizadas de ese tipo se
emplea con frecuencia latransformada de Fourier discreta. Cuando el
resultado de ese anlisis espectral es una lnea plana la seal que
gener el espectro se denominaruido blanco.
Un prisma transparente, deflecta cada fotn segn su frecuencia en
un ngulo ligeramente diferente. Eso nos permite ver cada componente
de la luz inicial por separado. Un grfico de la intensidad de cada
color deflactado por un prisma que muestre la cantidad de cada
color es el espectro de frecuencia de la luz o espectro luminoso.
Cuando todas las frecuencias visibles estn presentes por igual, el
efecto es el "color" blanco, y el espectro de frecuencias es
uniforme, lo que se representa por una lnea plana. De hecho
cualquier espectro de frecuencia que consista en una lnea plana se
llama blanco de ah que hablemos no solo de "color blanco" sino
tambin de "ruido blanco".
El espectro de frecuenciasEl espectro de frecuencias se divide
en dos grandes partes:Ondas materialesOndas electromagnticas.
ONDAS MATERIALES:
Se propagan por vibraciones de la materia (slida, lquida o
gaseosa). Incluyen:
Ondas infrasonoras (debajo de los 8Hz)Ondas sonoras (entre 8 y
30,000Hz). Por ejemplo voz humana (hasta 4,000Hz), audio (de 20Hz
hasta 20,000Hz).Ondas ultra sonoras (arriba de los 30,000Hz).
ONDAS ELECTROMAGNTICAS:
Son debidas a la vibracin de un campo electromagntico, fuera de
todo soporte material. Incluyen:
Ondas radioelctricas (o herzianas), que son generadas por una
corriente oscilatoria, y que pueden ser miriamtricas o kilomtricas
(VLF/LF, very low frequency / low frequency, entre 0 y 315KHz),
hectomtricas (MF, medium frequency, entre 315KHz y 3230KHz),
decamtricas (HF, high frequency, entre 3230KHz y 27,500KHz),
mtricas (VHF, very high frequency, entre 27,500KHz y 322MHz),
decimtricas (UHF, ultra high frequency, entre 322MHz y 3300MHz),
centimtricas (SHF, entre 3300MHz y 31.8GHz) o milimtricas (WHD,
entre 31.8GHz y 400GHz).Ondas luminosas (luz), originadas de un
cuerpo luminoso que transmite su luz, y que pueden ser infrarrojo
(longitud de onda entre 0.8 y 300 micras), visible (longitud de
onda entre 0.4 y 0.8 micras, y que incluye los colores rojo,
anaranjado, amarillo, verde, azul, turquesa y violeta), o
ultravioleta (longitud de onda entre 0.02 y 0.4 micras).Rayos X
(longitud de onda hasta 0.001 micras), generados por cuerpos
radioactivos.Rayos gamma (longitud de onda entre 0.005 a 0.25
Angstroms), generados por cuerpos radioactivos.
Para efectos de telecomunicaciones son importantes las ondas
radioelctricas (comunicacin inalmbrica) y las ondas luminosas
(comunicacin va fibras pticas).
CONVERSIN DE LONGITUD DE ONDA A FRECUENCIA, Y VICEVERSA:
Para cambiar de frecuencia (f) a longitud de onda (), y
viceversa, se utilizan las frmulas (1) y (2), que son en realidad
la misma frmula pero despejando en un caso y en el otro f:
f = 1/TVp = Velocidad de propagacin (luz = 300,000 kms/seg,
sonido = 240 m/seg) = Vp T
= Vp/f
(2) f = Vp/
Bsicamente se emplean tres tipos de ondas del espectro
electromagntico para comunicaciones:
Microondas: 2GHz a 40GHz. Muy direccionales. Pueden ser
terrestres o por satlite.Ondas de radio: 30MHz a 1GHz:
OminidireccionalesInfrarrojos: 3x1011 a 200THz
La zona del espectro de las microondas est dividido de la
siguiente manera:
= velocidad angular= 2f [rad/seg]
f = frecuencia [Hz = ciclos/seg]
T = perodo= 1/f [seg/ciclo, o simplemente seg]Cuando se hacen
las conversiones, es importante recordar los siguientes trminos del
sistema de medicin:
1 mm (milmetro) = 10-3 m1 (micra, micrmetro) = 10-6 m1 nm
(nanmetro) = 10-9 m1 (angstrms) = 10-10 m1 pm (picmetro) = 10-12
m
1 KHz (kilohertz) = 103 Hz1 MHz (megahertz) = 106 Hz1 GHz
(gigahertz) = 109 Hz1 THz (terahertz) = 1012 Hz1 PHz (petahertz) =
1015 Hz1 Ehz (exahertz) = 1018 Hz
En la siguiente tabla se muestran los rangos de cada tipo de
onda del espectro de frecuencias, tanto en longitud de onda () como
en frecuencia (f). Es importante sealar que las conversiones son
aproximadas y pueden ser distintas dependiendo del tipo de medio de
transmisin que se utilice. Para la siguiente tabla se consider
Vp(luz) = 300,000 kms/seg y Vp(sonido) = 240 m/seg. Estas cifras
pueden cambiar dependiendo del medio de transmisin especfico que se
utilice, y por lo tanto los rangos sern distintos.
Tipos:Hay analizadores analgicos y digitales de espectro: Un
analizador analgico de espectro es un equipo electrnico que muestra
la composicin del espectro de ondas elctricas, acsticas, pticas, de
radiofrecuencia, etc. Contrario a un osciloscopio un Analizador de
Espectros muestra las ondas en el dominio de frecuencia en vez del
dominio de tiempo. Puede ser considerado un voltmetro de frecuencia
selectiva, que responde a picos calibrados en valores RMS de la
onda. Los analizadores anlogos utilizan un filtro pasa banda de
frecuencia variable cuya frecuencia central se afina automticamente
dentro de una gama de fija. Tambin se puede emplear un banco de
filtros o un receptor superheterodino donde el oscilador local
barre una gama de frecuencias. Algunos otros analizadores como los
de Tektronix utilizan un hbrido entre anlogo y digital al que
llaman "tiempo real" analizador de Espectros. La seales son
convertidas a una frecuencia ms baja para ser trabajadas con
tcnicas FFT o transformada rpida de Fourier descubiertas por Jean
Baptiste Joseph Fourier, 1768-1830. Un analizador digital de
espectro utiliza la (FFT), un proceso matemtico que transforma una
seal en sus componentes espectrales. Algunas medidas requieren que
se preserve la informacin completa de seal - frecuencia y fase este
tipo de anlisis se llama vectorial. Equipos como los de Agilent
Technologies (antiguamente conocidos como Hewlett Packard) usan
este tipo de anlisis.Ambos grupos de analizadores pueden traer un
generador interno incorporado y as poder ser usados como un simple
analizador de redes.Comunicacin digital y anloga
Digitales: calculadoras que trabajan con dgitos.Analgico:
aparatos que manejan magnitudes positivas discretas anlogas a los
datos.En las computadoras digitales, slo existe una correspondencia
arbitraria entre la informacin y su expresin digital, estos nmeros
son nombres codificados arbitrariamente asignados. En las
computadoras analgicas los datos adoptan la formas de cantidades
discretas y, siempre positivas; por ejemplo: la intensidad de a
corriente elctrica.En la comunicacin humana es posible referirse a
los objetos de dos maneras totalmente distintas: se los puede
representar por un smil como un dibujo (mediante una semejanza
autoexplicativa) o mediante un nombre (palabra) y, son equivalentes
a los conceptos de la computadoras puesto que resulta obvio que la
relacin entre el nombre y la cosa nombrada est arbitrariamente
establecida.
Comunicacin anloga: =Relacin
La comunicacin analgica tiene sus races en los periodos mas
arcaicos de la evolucin y coincidira con la comunicacin no verbal,
los movimientos corporales (kinesia), la postura, los gestos, la
expresin facial, el ritmo, la cadencia de las palabras y los
indicadores comunicacionales que aparecen en el contexto de forma
mas abstracta.Todo lo que sea comunicacin no-verbal (postura,
gestos, expresin facial, la inflexin de la voz, la secuencia y el
ritmo, y, la cadencia de palabras).El hombre es el nico organismo
que utiliz tanto la comunicacin anloga como digital.Comunicacin
digital: el habla, el lenguaje.
Los logros de la civilizacin resultaran indispensables sin el
desarrollo del lenguaje digital por su importancia en lo que se
refiere a compartir informacin acerca de los objetosToda
comunicacin tiene un aspecto de contenido y un aspecto relacional,
ambos modos no slo existe lado a lado, sino que se complementan
entre s en cada mensaje.El aspecto relativo al contenido se
trasmite en forma digital, mientras que el relativo a la relacin es
de naturaleza analgica.Diferencias: el material del mensaje digital
es de mucha mayor complejidad, versatilidad y abstraccin que el
material analgico, en este ltimo no hay equivalentes para
elementosde vital importancia para el discurso como "si luego",
"o....o", etc. la expresin de conceptos abstractos resulta
imposible como la escritura primitiva, donde cada concepto puede
representarse por medio de una similitud fsica.Adems, en el mensaje
analgico suele ser ambiguo y tener varios significados (llanto de
alegra, de tristeza), y no posee indicadores de presente, pasado o
futuro que existen en la comunicacin digital.Los seres humanos se
comunican de las dos formas. El lenguaje digital cuenta con una
sintaxis lgica sumamente compleja y poderosa pero carece de una
semntica adecuada en el campo de la relacin mientras que el
analgico posee la semntica pero no una sintaxis adecuada para la
definicin inequvoca de la naturaleza de las relaciones.
Comunicacin Smplex
La transmisin simplex (sx) o unidireccional es aquella que
ocurre en una direccin solamente, deshabilitando al receptor de
responder al transmisor. Normalmente la transmisin simplex no se
utiliza donde se requiere interaccin humano-mquina. Ejemplos de
transmisin simplex son: La radiodifusin (broadcast) de TV y radio,
el pagina unidireccional, etc.
Una comunicacin, es smplex si estn perfectamente definidas las
funciones del emisor y del receptor y la transmisin de los datos
siempre se efecta en una direccin y la transmisin de los datos
siempre se realiza en una direccin.
Comunicacin Half Duplex
La transmisin half-duplex (hdx) permite transmitir en ambas
direcciones; sin embargo, la transmisin puede ocurrir solamente en
una direccin a la vez. Tanto transmisor y receptor comparten una
sola frecuencia. Un ejemplo tpico de half-duplex es el radio de
banda civil (CB) donde el operador puede transmitir o recibir, no
pero puede realizar ambas funciones simultneamente por el mismo
canal. Cuando el operador ha completado la transmisin, la otra
parte debe ser avisada que puede empezar a transmitir (e.g.
diciendo "cambio").
Comunicacin Full Duplex
La transmisin full-duplex (fdx) permite transmitir en ambas
direccin, pero simultneamente por el mismo canal. Existen dos
frecuencias una para transmitir y otra para recibir. Ejemplos de
este tipo abundan en el terreno de las telecomunicaciones, el caso
ms tpico es la telefona, donde el transmisor y el receptor se
comunican simultneamente utilizando el mismo canal, pero usando dos
frecuencias.