El espectro ensanchadoDel inglés spread ‘difusión’, ‘propagación’, ‘ensanchamiento’, ‘expansión’. es una técnica de modulación empleada en telecomunicaciones para la transmisión de datos digitales y por radiofrecuencia. El fundamento básico es el «ensanchamiento» de la señal a transmitir a lo largo de una banda de frecuencias muy ancha; mucho más amplia, de hecho, que el ancho de banda mínimo requerido para transmitir la información que se quiere enviar.
No se puede decir que las comunicaciones mediante espectro ensanchado son medios eficientes de utilización del ancho de banda; sin embargo, rinden al máximo cuando se los combina con sistemas existentes que hacen uso de la frecuencia. La señal de espectro ensanchado, una vez ensanchada, puede coexistir con señales en banda estrecha, ya que solo les aportan un pequeño incremento en el ruido. El receptor de espectro ensanchado, por su parte, no ve las señales de banda estrecha, ya que está escuchando un ancho de banda mucho más amplio gracias a una secuencia de código preestablecido.
La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, expandido, desparramado, difuso o disperso para referirse en todos los casos al mismo concepto.
Podemos concluir diciendo que todos los sistemas de espectro ensanchado satisfacen dos criterios:
El ancho de banda de la señal que se va a transmitir es mucho mayor que el ancho de banda de la señal original. El ancho de banda transmitido se determina mediante alguna función independiente del mensaje y conocida por el receptor.
Introducción Los diseñadores de sistemas de comunicación se interesan a menudo en la eficiencia con la que los sistemas utilizan la energía y el ancho de banda de la señal. En muchos sistemas de comunicación estos son los asuntos más importantes. Sin embargo, en algunos casos existen situaciones en las que es necesario que el sistema resista a las interferencias externas, opere con baja densidad espectral de energía, proporcione capacidad de acceso múltiple sin control externo y un canal seguro e inaccesible para oyentes no autorizados. Por todo esto, a veces es necesario y conveniente sacrificar algo de la eficiencia del sistema. Las técnicas de modulación de espectro ensanchado permiten cumplir tales objetivos.
Los aspectos teóricos de la utilización del espectro ensanchado en un medio con fuertes interferencias se conocían desde hace ya cuarenta años. Lo que sí ha sido muy reciente es su implementación práctica. Inicialmente, las técnicas de espectro ensanchado se desarrollaron para propósitos militares y sus implementaciones eran extremadamente caras. Sólo los nuevos avances tecnológicos tales como el VLSI (very large-scale integration, es decir, el proceso de colocar miles, o cientos de miles de componentes electrónicos en un solo chip) y las técnicas de procesado de señal avanzadas hicieron posible desarrollar un equipamiento de espectro ensanchado menos caro para uso civil. Las aplicaciones de esta tecnología incluyen teléfonos móviles, transmisión de datos sin cable y comunicaciones por satélite.
Trasfondo histórico No cabe duda de que la tecnología basada en el espectro ensanchado evolucionó de las necesidades del ejército. Fue un resultado natural de la Segunda Guerra Mundial (1939-1945), donde la tecnología desempeñó un papel muy importante. Durante este periodo, las tácticas de interceptación de señales estaban a la orden del día, y los esfuerzos en la investigación y desarrollo se centraban en facilitar contramedidas de radares y balizas de navegación. Tanto el frente Aliado como las potencias del Eje experimentaron con sistemas simples de espectro ensanchado.
No es de extrañar que la primera patente pública disponible de un sistema basado en espectro ensanchado sea de aquella época. Data del 11 de agosto de 1942, en plena guerra, por la actriz hollywoodiense Hedy Lamarr y el pianista George Antheil. miniaturadeimagen|Copia parcial de la solicitud de patente estadounidense presentada por Hedy Lamarr y George Antheil sobre un "Secret Communication System " Lamarr, que a través de su marido había conocido a Hitler y Mussolini, por lo que tenía mucha información acerca de algunos problemas en la transmisión de comunicaciones, ideó un sistema de guiado de misiles por medio de radiofrecuencias que permitiría destruir los submarinos alemanes. La idea ya existía y nunca funcionaba porque se podía interferir en la frecuencia e inutilizar el dispositivo. Pero a Lamarr se le ocurrió que la frecuencia se podía cambiar constantemente (como se hace al tocar un piano, que fue lo que la inspiró) y de esa forma se podía controlar un torpedo por radio sin que pudiera ser interferido. Es decir, cambiando constantemente la frecuencia del transmisor, a la misma vez que se cambia en el receptor, resultaría imposible interferir en el control del torpedo. A la actriz viena se le ocurrió el sistema que actualmente se conoce con el nombre de salto de frecuencia. Tras varios meses de trabajo y diseño del sistema, y con la ayuda del gobierno estadounidense, se le otorgó la patente (firmada con su nombre de casada, Hedy Kiesler Markey).
Sin embargo, se detectaron problemas en su mecanismo, que no era muy adecuado para usarse en un torpedo y la Marina declaró que el sistema era demasiado vulnerable, archivando así la idea, y haciendo que Lamarr abandonara el proyecto.
En 1957, ingenieros de la empresa estadounidense Silvania Electronics Systems Division utilizaron transistores para desarrollar el sistema inventado por Lamarr y, en 1962, el concepto fue adoptado por el gobierno de los EE. UU. para las comunicaciones militares, tres años después de que la patente caducara. Hedy Lamarr nunca ganó dinero por su invento. En la actualidad, muchos sistemas orientados a voz y datos, tanto civiles como militares, emplean sistemas de espectro ensanchado, y cada vez se encuentran más aplicaciones. Una prueba de ello es que entre 1995 y 1997 se patentaron más de 1200 ideas relacionadas con el espectro ensanchado.
Explicación extendida: espectro disperso Spread Spectrum ('espectro disperso') es una técnica de comunicación que por los altos costes que acarrea, se aplicó casi exclusivamente para objetivos militares, hasta comienzos de los años noventa. Sin embargo, comienza a surgir lentamente un mercado comercial. Seguramente mucha gente ha escuchado alguna vez nombrar a LAN (Local Area Networks: Redes de Área Local). Estas son redes que comunican ordenadores entre sí a través de cables, lo que hace posible que por ordenador se pueda enviar correo dentro de un edificio determinado, por ejemplo. Actualmente se venden también 'Radio LAN' (RLAN), que constituyen una comunicación inalámbrica entre una cantidad determinada de ordenadores.
Para poder captar un programa radial hay que sintonizar con un emisor que está en una determinada frecuencia. Emisores diferentes están en diferentes frecuencias. Cada emisor ocupa un pequeño trozo de la banda emisora dentro de la cual se concentra la potencia de emisión irradiada. Ese trocito, también llamado ancho de banda, tiene que ser lo suficientemente grande como para que los emisores cercanos no sean interferidos. A medida que el ancho de banda es más estrecho, pueden funcionar más emisores en una banda de frecuencia.
Un ejemplo: la banda emisora FM cubre la zona de frecuencia de 88-108 MHz. Si el ancho de banda de un emisor es 1 MHz, entonces pueden caber (108-88)/1 = 20 emisores en la banda emisora FM. Si el ancho de banda de un emisor es 0,2 MHz (= 200 kHz), entonces pueden caber (108-88)/0,2 = 100 emisores en la banda emisora FM.
Si ahora, por ejemplo, quisiéramos colocar 200 emisores en la banda emisora FM, eso sólo se podría si el ancho de banda de cada emisor disminuyera hasta 100 kHz. Sin embargo, esto ocasiona problemas porque las emisiones FM cuentan con un ancho de banda de 200 kHz, por lo que un menor ancho de banda produce una menor transmisión de información (la calidad obtenida en recepción disminuiría). Este principio no es sólo válido para la banda emisora FM, sino también para otras bandas de frecuencia como la banda emisora AM, bandas de radioaficionados, bandas de la policía, etc.
La radio-receptora se puede sintonizar siempre en una frecuencia. Esa frecuencia es retransmitida por el emisor con un ancho de banda lo menor posible, pero lo suficientemente grande como para transmitir la información deseada. Este tipo de receptores se llama receptores de banda estrecha.
Por el contrario, en espectro ensanchado no se elige por un ancho de banda lo más pequeño posible, sino justamente por lo contrario. El ancho de banda es mayor de lo que se necesita estrictamente para la transmisión de la información. Este mayor ancho de banda puede obtenerse de dos maneras. La primera es codificar la información con una señal pseudo-aleatoria(1). La información codificada se transmite en la frecuencia en que funciona el emisor para lo cual se utiliza un ancho de banda mucho mayor que la que se usa sin codificación (secuencia directa). La segunda posibilidad es codificar la frecuencia de trabajo con una señal pseudo-aleatoria, por lo que la frecuencia de trabajo cambia permanentemente. En cada frecuencia se envía un trocito de información (técnica conocida como salto en frecuencia).
Esta difusión a través del espectro ensanchado puede ser tan grande que un receptor-radio de banda estrecha sólo capta ruido añadido. Para poder captar la señal dispersa se necesita receptores con ancho de banda especial que transformen el zumbido recibido en información. Este receptor de banda ancha tiene que disponer del decodificador apropiado para transformar la señal del emisor en información.
De lo anterior se puede deducir en forma sencilla porqué los militares están tan interesados en esta técnica. A eso se agrega que es difícil interferir un emisor de este tipo. Si se interfiere toda la banda de frecuencia, se vuelve imposible cualquier radiocomunicación! Determinados emisores de escuchas hacen uso también del principio Spread Spectrum. Las ondas de radio están sumergidas en el zumbido (ruido de fondo), en el Spread Spectrum, por lo cual el emisor no es fácil de descubrir con la ayuda de los aparatos de detección corrientes (véase además el artículo 'Escuchas de recintos').
La expectativa general es que comercialmente se vaya a ir haciendo cada vez más uso de Spread Spectrum para la transmisión de datos. A causa de que la potencia de emisión se difunde sobre una banda ancha, puede ser usada por encima de bandas de frecuencia existentes, sin interferir la recepción de banda estrecha. Por eso es posible admitir más usuarios en una banda de frecuencia. Otra ventaja es la seguridad de la comunicación. Al fin y al cabo, la información se envía cifrada. En un sistema RLAN con 100 usuarios que utilizan Spread Spectrum es suficiente con 1 frecuencia emisora y 100 señales-codificadoras diferentes. La información se codifica, entonces, directamente.
Notas 1) señal 'casi arbitraria'. Esto significa que la señal puede adquirir dentro de un determinado espacio de tiempo valores arbitrarios. Luego de ese período la señal se repite. El espacio de tiempo puede p.ej. ser 1 segundo pero también 4,5 días. 2) 'Tecnología Digital Análoga', octubre de 1992, pág. 24.
Técnicas de ensanchado del espectro thumb|290px|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.
A continuación, se presentan cinco técnicas de espectro ensanchado:
Sistemas de secuencia directa