Comunicación inalámbrica

Hoy vamos a hacer un recorrido por los distintos medios que ha ido creando la humanidad con el fin de comunicarse más cómodamente o simplemente mucho más lejos.
En la parte de "más comodamente" está, por supuesto, la manía que tienen muchas madres de que el ordenador tiene demasiados cables. ¿Y si no estuviesen? En la parte de "más lejos" está, obviamente, la comunicación vía satélite, cumbre actual de la comunicación inalámbrica. Pero vamos a ir poco a poco.

Empezando con un poquito de historia tenemos que remontarnos a 1896, año en el que Guglielmo Marconi patentó, en Reino Unido, el telégrafo inalámbrico.

Desde entonces y hasta ahora infinidad de aparatitos se comunican "sin cables" (wireless): radio, televisión, telefonía móvil, televisión por satélite, telefonía satélite, un simple mando a distancia...

 Pero...¿cómo funcionan?
Como muchos de vosotros sabéis la comunicación inalámbrica se basa en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas. Depende de la longitud de onda y la frecuencia de las mismas se clasifican en el espectro de la siguiente manera:

Como podéis ver en este cuadro se resume prácticamente todo lo que uno tiene que tener en cuenta sobre ondas electromagnéticas y su uso en nuestra vida cotidiana.

Mandos a distancia IR: Emiten en una longitud de onda de unos 850 nm, bastante cercana a nuestro límite de sensibilidad espectral. Como ya comenté en LEDs, debida a la cercanía de esta forma de comunicación a nuestra franja sensible del espectro, somos capaces de verlos a través de un móvil, ya que estos siempre se expanden un poco más a la zona del infrarrojo cercano.
¿Qué problema hay con este tipo de mandos infrarrojos? Pues algo que si se piensa unos segundos tiene mucha lógica: el efecto invernadero se produce porque gases como el CO2 absorben estas radiaciones infrarrojas y no las dejan escapar al espacio durante la noche. Entonces, la luz que emiten los mandos a distancia que funcionan con infrarrojos... también será absorbida la señal, ¿verdad? Es por esto que en el momento que nos alejamos una distancia de unos cuantos metros del televisor esta señal deja de llegar en buenas condiciones para su lectura.
La comunicación entre mando y televisor (o aire acondicionado, DVD...) se hace mediante trenes de impulsos. Cada botón del mando tiene asociados un tren de impulsos que el televisor reproduce y, si lo tiene en su memoria identifica y realiza la acción. Es por esto que cada mando funciona con su televisor  (excepto los universales) ya que cada compañía codifica estos trenes de impulsos a su gusto.

Imagen de un LED infrarrojo, detectable mediante los chips de las cámaras digitales

Mandos a distancia RF(radiofrecuencia): La frecuencia de emisión de estos mandos (también utilizados en aviones teledirigidos) se encuentra por la zona de las ondas de radio, como su nombre indica. La principal ventaja que se obtiene en esta franja del espectro para la comunicación es algo que todos experimentamos día a día: a las ondas de radio le importan poco las paredes convencionales de una casa (dejando a un lado las de seguridad...). Esto es debido a que la longitud de onda de estas RF son de 3-4 metros y eso hace que esquiven fácilmente los obstáculos de una casa. En el ámbito de los mandos a distancia tenemos pues la ventaja de poder utilizarlos desde distintas habitaciones, incluso en plantas diferentes.

Los mandos inalámbricos de control de juegos funcionan por RF

Típico mando de control de aviones teledirigidos, también por RF

Telefonía móvil: Las ondas de móviles oscilan (nunca mejor dicho) entre los 800 y los 1800 MHz. Sin embargo, también emiten exactamente a 216,7 Hz ¿Cuando ocurre esto? Pues, con el fin de que muchos móviles puedan utilizar la misma antena se utilizan unos "slots" para que no se solape la comunicación entre dos dispositivos. La duración de estos "slots" es de tan solo 0,577 ms y se producen para un mismo dispositivo cada 4,615 ms, esto es, una frecuenca de 216,7 Hz. ¿Y qué consecuencia tiene esto? Bueno, estas frecuencias son detectables por el oído humano (rango entre 20 Hz y 20.000Hz) y por lo tanto cuando estas señales de "¡hola, tienes un sms! o¡ hey, te están llamando! interfieren con un altavoz somos capaces de oirlas.

Bluetooth: Funciona a 2,4 GHz cerca de los microondas. Se llama así al protocolo de comunicaciones diseñado especificamente para dispositivos de bajo consumo. Sigue siendo una comunicación por radiofrecuencia y por lo tanto los dispositivos no tienen que estar alineados al igual que pasaba con los IR. La velocidad de transmisión actual con la versión 3 es de unos 24 Mbits/s.

Comunicación por satélite: Esta forma de comunicación ronda los 4-6GHz y consiste "simplemente" en reflejar la señal en satélites para conseguir mejores recepciones a grandes distancias, cosa que en linea recta (geodésica quizás fuera más correcto) no sería posible debido a obstáculos tales como montañas, ciudades o, simplemente, la curvatura de la Tierra.

Esquema de todo el entramado que puede llevar una red de satélite

Wi-Fi: El señor de las comunicaciones hoy en día (además del 3G) por la cantidad de información que podemos conseguir a través de él en teléfonos móviles, tablets, ordenadores portátiles y un largo etcétera. Al igual que bluetooth, Wi-Fi es una marca bajo la cuál se certifica la interoperabilidad de los equipos según la norma IEE 802.11b. Wi-Fi viene de WIreless FIdelity.
Hay varios tipos de Wi-Fi. Ahora están muy de moda los anuncios vendiendo Wi-Fi N, el cuál comentan que es más rápido y alcanza mayor distancia que el normal. Esto es cierto ya que además del estandar 802.11b están el 802.11g y el 802.11n, siendo la velocidad de estos de 11, 54 y 300 Mbps respectivamente, todos ellos con emisiones en los 2,4GHz.
En la actualidad ya existe el bautizado como Wi-Fi 5 (IEE 802.11a) con emisión en los 5GHz, cuya principal ventaja es que no cuenta con las interferencias que tienen los de 2,4GHz por emitir en la misma banda (bluetooth, microondas y WUSB). Sin embargo, al trabajar a mayor frecuencia cuenta de un menor alcance.

Son muchas más de las que podríamos hablar pero creo que con esto será suficiente...de momento :D

LEDs

El primer LED (siglas en inglés para "Diodo emisor de luz") fue fabricado en 1927 pero como suele pasar muchas veces no se utilizó de forma industrial hasta bastante después, concretamente en la década de los 70 del siglo pasado. Por aquellos tiempos sólo se podían fabricar en color rojo, verde y amarillo y con muy poca intensidad.

Cómo funcionan

No voy a entrar mucho en el principio físico para que no terminemos todos con dolor de cabeza pero básicamente consiste en un material semiconductor (se comporta como conductor o aislante dependiendo de diversos factores). Cuando un electrón cae en el átomo de una capa más energética a otra menos energética esta diferencia de energía se compensa por la emisión de un fotón. Si la diferencia de energía produce un fotón con una longitud de onda entre los aproximadamente 380 y 780nm seremos capaces de ver esta luz (espectro visible). Se puede calcular esta longitud de onda con la ecuación E=h·c/λ, siendo E la diferencia de energía del electrón entre un nivel y otro, c la velocidad de la luz y λ la longitud de onda del fotón emitido.

Partes de un LED

Conseguimos así la emisión de luz, dependiendo del material semiconductor en longitudes de onda que hoy en día desde el infrarrojo hasta el ultravioleta pasando por muchísimas longitudes de onda en el visible.

La caída de energía que hay en el salto del electrón de una capa a otra dependerá del material semiconductor, por ejemplo, con diodos convencionales de silicio o germanio conseguiremos luz infrarroja, invisible al ojo humano pero empleada desde hace muchos años para mandos a distancia. Os dejo una tabla aquí para que veáis

La dificultad de construcción de los LEDs radica en la dirección de longitudes de ondas más cortas, por ejemplo, es más fácil construir un LED rojo que uno azul. Es por eso que estos últimos no fueron desarrollados hasta la década de 1990 con lo cuál fue posible en ese momento la obtención de luz blanca y su posibilidad de aplicación a televisores. Actualmente, como ya hemos comentado es posible la fabricación hasta longitudes de onda más allá del azul llegando al ultravioleta.

Los LEDs típicos están preparados para trabajar a pontencias entre 30 mW y 60mW. En 1999 se desarrollaron LEDs capaces de trabajar a potencias de 1 W y lo que es más importante: capaces de trabajar continuamente ya que están preparados para disipar el calor que generan.

Hoy en día se pueden utilizar ya LEDs para iluminación vial ya que se han desarrollado LEDs de luz blanca con una eficiencia luminosa alrededor de los 150 lm/W siendo equivalente a un rendimiento de casi el doble  con respecto a lámparas fluorescentes y 12 veces más eficiente que una lámpara incandescente. La eficiencia es incluso superior a las luminarias típicas que se encuentran en las carreteras de vapor sodio de alta presión (132 lm/W).

En los últimos años han aparecido los llamados OLEDs, sobre todo aplicados a la industria de pantallas para móviles o televisores.

Aplicaciones

Os habréis dado cuenta que últimamente casi todo funciona con LEDs. Vamos a hacer un repaso por todas las aplicaciones que tiene este pequeño y futurista amigo.

LEDs infrarrojos (IREDs): Ya hemos comentado que su uso quizá más extendido sería el de los mandos a distancia, ya sean para televisores, videos, dvd, aires acondicionados... Ahora ya menos pero la mayoría recordaréis cuando los móviles (algunos todavía) tenían como una ventanita oscura en un lateral que había que enfrentar con otro móvil para transmitir datos vía infrarrojos. También muchos recordaréis las Game Boy color enfrentadas para intercambiar Pokemons y demás :D.

La barra sensora de la videoconsola Nintendo Wii consta de 5 LEDs infrarrojos a cada lado para los cuales la cámara infrarroja del mando de la Wii (Wiimote) es sensible y con los cuales se orienta para calcular la posición a la cuál se está apuntando.

Un dato curioso de estos LEDs es que emiten luz en el Infrarrojo cercano, es decir, no están muy lejos del rojo al cuál somos sensibles. Sin embargo las cámaras de fotos digitales son sensibles a parte de la luz que emiten estos LEDs invisibles para nuestros ojos. Haced la prueba con un mando a distancia y veréis que a través de la cámara, al pulsar cualquier botón de un mando a distancia podréis ver la luz que emiten.

Foto de la barra sensora de Wii realizada con una cámara de fotos digital

En cuanto a los LEDs en el visible pues... semáforos, iluminación, televisores (rojo,verde y azul para dar lugar a toda la gama de colores), indicadores en reproductores de DVD, en los paneles de un coche...

En la iluminación obtenemos una luz que no parpadea como los fluorescentes, luz fría, muy eficiente, menor impacto para el medio ambiente...

Luego además encontramos miles de gadgets en bazares con LEDs en figuras decoratitavas, en linternas y en miles de cosas de lo más curioso como estas pelotas de goma que al botar se encienden....

En la parte más técnica encontramos el "diodo láser" que emite luz con una altísima coherencia el cuál lo hace apto para investigación en el campo de la óptica.

En fin, un montón de utilidades de lo más simple a lo más tecnológico que hace que encontremos estas lucecitas por todos lados.

Presente y futuro de los televisores

Todos sabemos que lo que se lleva ahora en el mundo de los televisores es el LED (light emisor diode), ese pequeño pero gran invento que está ahora por todas partes: linternas, semáforos... y ahora televisores. Pero, ¿qué es realmente un televisor LED?
Realmente un televisor LED es un televisor LCD (liquid-crystal display) de los que hemos estado teniendo unos años para atrás.
Vamos a explicar el concepto de esta tecnología:

Para empezar tenemos que entender qué hace un polarizador. No es difícil de entender al nivel que queremos hacerlo aquí y es un pasito que tenemos que dar:
 La luz natural o "no polarizada" (la de una bombilla, el Sol...) es una onda electromagnética y como tal tiene un campo eléctrico perpendicular a la dirección de propagación de dicha luz. Por ser natural este campo vibra en todas direcciones. Si lo hacemos pasar por un polarizador lineal hacemos que éste campo eléctrico sólo vibre en una dirección como aparece en la siguiente figura.

Figura 1

 Como podéis ver el polarizador tiene un eje especial llamado "eje de transmisión" en el cuál vibra el campo eléctrico a la salida. ¿Qué pasa si ahora colocásemos un polarizador igual pero girado 90º con respecto al de la figura 1? Pues lo que pasa es que no tendríamos luz alguna. La relación de éste fenómeno va con el coseno del ángulo al cuadrado, lo que viene a decir que si los ponemos paralelos pasa el 100% de la luz (a la salida del segundo polarizador, a 90º no obtendríamos luz y en todos los términos medios obtendríamos cualquier porcentaje de luz entre 0 y 100%.
¿No es esto una manera de regular luz? Pero sería bastante complicado en un display tener un objeto como un polarizador girando a placer para nosotros. Pero por suerte tenemos el cristal líquido a nuestra disposición.

¿Qué es el cristal líquido?
Se puede decir que el cristal líquido es un estado de agregación de la materia entre líquido y sólido. 
Fue descubierto hace más de cien años (1888) por el botánico austriaco F. Reinitzer
Está constituidos por moléculas que están enrolladas y si aplicamos una diferencia de potencial entre las puntas de las moléculas estas se desenrollan. Esto afecta a la luz de manera que giran la polarización de la luz: si las moléculas está enrollada la polarización se gira y si están desenrolladas la polarización sigue sin verse alterada.
Pues prácticamente ya lo tenemos: colocamos luz, dos polarizadores cruzados, entre ellos moléculas de cristal líquido y algo para aplicarles corriente. Si no tenemos corriente obtendremos luz y si ponemos la corriente adecuada para desenrollar las moléculas tendremos luz máxima y con todas las corrientes intermedias tendremos la intensidad deseada.

Lo que nos falta son los píxeles. Cada píxel está compuesto por 3 colores (sin contar los nuevos televisores Quattron de Sharp que utilizan 4 colores): rojo, verde y azul. Con combinaciones de intensidades de estos 3 colores podemos conseguir toda la gama de colores que tenemos hoy en día

En la figura 2 tenemos un trocito de nuestra pantalla ya construida.

Figura 2

Ahora, ¿qué luz utilizamos?


En los "clásicos" televisores LCD la luz que se utiliza proviene de lámparas fluorescentes de cátodos fríos (CCFT) que vienen siendo los fluorescentes que utilizamos en cocinas, baños... pero con mayor calidad y con luz puramente blanca. Estos tubos son bastante grandes y provocan que estos televisores tengan un grosor considerable.
El otro inconveniente que tienen estos tubos que o están encendidos o apagados pero no se pueden apagar por zonas. Esto provoca que (un ejemplo muy claro) si estamos viendo una imagen fija en un de estos televisores donde la mitad izquierda es blanca y la otra mitad es negra, en la zona negra, como los tubos están encendidos porque el televisor está encendido no se ve ni mucho menos negra, se ve gris. Esto viene a consecuencia de que es prácticamente imposible que la salida de luz por el segundo polarizador sea perfectamente 0. Ya sea porque la diferencia de tensión entre el cristal líquido no es perfecta o porque los polarizadores no están perfectamente a 90º o una mezcla de ambos. El caso es que es algo que no se puede hacer: los negros en un televisor LCD son grises, no negros.

Entonces, ¿cómo solucionamos el problema del grosor y de los negros? Pues la respuesta es clara: con LEDs.

Si sustituimos los tubos CCFT por una matriz de LEDs que cubran la extensión de la pantalla (Full LED) disminuimos muchísimo el espesor. Además, podemos apagar los LEDs en las zonas negras de la imagen consiguiendo por fin negros reales pero esto no acaba aquí.
Además con el LED conseguimos un brillo mayor, unos colores más puros y un aprovechamiento de la luz muy superior que conlleva un ahorro de consumo eléctrico de un 40%

Pero, aunque esta tecnología está desde hace poco a nuestro alcance a un precio medianamente razonable podemos considerarla ya obsoleta.

¿Qué nos espera en el futuro (no muy lejano)?


Lo que nos espera es la tecnología OLED que ya está disponible en algunas pantalla de móviles (concretamente AMOLED).

Esta tecnología en su concepto es muchísimo más simple que la tecnología LCD. El significado de sus siglas es "diodo orgánico emisor de luz".

El OLED es un diodo que se basa en una capa electroluminiscente formada por una película de componentes orgánicos que reaccionan, a una determinada estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos. Y aquí está la "gracia". Se iluminan por sí mismos sin necesidad de tener todas las capas de la Figura 2.


Existen muchas tecnologías OLED diferentes, tantas como la gran diversidad de estructuras (y materiales) que se han podido idear (e implementar) para contener y mantener la capa electroluminiscente, así como según el tipo de componentes orgánicos utilizados. 


Como ejemplos podemos encontrar según la tecnología relacionada al OLED el SM-OLED (Small-molecule OLED), el PLED (Polymer Light-Emitting Diodes), el TOLED (Transparent OLED) y el SOLED (Stacked OLED) y en cuanto a la matriz (el equivalente al TFT en la tecnología LCD) el PMOLED (Passive-matrix OLED), el AMOLED (Active-matrix OLED).


Ventajas del OLED
Son muchas las ventajas y aplicaciones "futurísticas" las que se le pueden dar a esta tecnología.
Para empezar, las capas orgánicas son más delgadas, luminosas y sobre todo flexibles. Aquí os dejo un ejemplo un poco burro quizás :D




además de menor consumo todavía, mayor contraste, brillo, más económicos en el futuro... y a mi, la que más me gusta y que habéis visto en el vídeo es la flexibilidad de algunas de estas tecnologías y por último, algunas son transparentes por lo que se podría colocar en una ventana y no apreciar nada hasta encenderlas, o colocarlo en una especie de plástico al estilo de Avatar.

Y por último, yendo un paso más allá (y sin meternos en la tecnología holográfica todavía) tenemos la tecnología OLET, la tecnología que podría reemplazar al OLED (Organic light-emitting transistors)

Figura 3

Esta tecnología promete ser 100 veces más eficiente que el OLED.
Consta de 3 capas:  La inferior que contiene la carga eléctrica, la intermedia que recibe la carga para emitir los fotones de luz y la superior, que sirve como filtro para dejar pasar o no dichos fotones. El conjunto de todo esto no supera los 62 nm de grosor. Para haceros una idea de que son 62 nanómetros estaríamos hablando de 16.000 veces más pequeño que el grosor de un cabello humano.


En no muchos años estaremos disfrutando de esta tecnología en teléfonos móviles, relojes, portátiles etc, etc pero para todo esto primero tendremos que comprarnos todos un televisor LED, y luego un OLED porque ya sabemos todos como funciona el mercado...