Historia de las interferencias (EMI)

En la antigua Grecia ya se conocían los fenómenos magnéticos y eléctricos. A principios del siglo XIX Hans Christian Oersted encontró la evidencia empírica de que los fenómenos magnéticos y eléctricos estaban relacionados. Los primeros telégrafos ya empezaron a tener problemas de interferencias electromagnéticas (“ElectroMagnetic Interference”: EMI).

Los trabajos de los físicos André-Marie Ampère, William Sturgeon, Joseph Henry, Georg Simon Ohm y Michael Faraday fueron unificados por James Clerk Maxwell con un conjunto de ecuaciones que describían ambos fenómenos magnético y eléctrico como uno solo, como un fenómeno electromagnético. En 1864, Maxwell dio a conocer el documento a la “Royal Society”, demostrando la existencia teórica de las ondas electromagnéticas y su propagación a través del espacio. Pasaron 23 años antes de que el pionero Heinrich Hertz tuviera éxito en generar y detectar esas ondas, demostrando que viajaban en línea recta, a la velocidad de la luz. En los primeros experimentos electromagnéticos se usaron chispas, descubriendo la forma de producir y detectar las ondas electromagnéticas. En 1882, Alexander Graham Bell alcanzó una distancia de 3 Km en la comunicación entre buques en el río Potomac.

Las ondas de radio ignoran las fronteras nacionales y los países rápidamente tuvieron que cooperar con sus vecinos en la asignación de frecuencias. La “Unión Internacional de Telégrafos”, fue fundada en 1865 para facilitar la telegrafía internacional. Cambió su nombre en 1932 a “Unión Internacional de Telecomunicaciones” (UIT) y se convirtió en un foro en el que los países negocian sobre las interferencias de radio. Actualmente la UIT es una agencia de las Naciones Unidas.

En pocos años, el creciente uso de la electricidad trajo de nuevo un aumento de las interferencias, por lo que los ingenieros idearon un método llamado “transposición de conductores”, para cancelarlas. En este método, los conductores intercambiaban su posición una vez por cada varios postes. De esta manera, los dos cables recibían similares interferencias de las líneas eléctricas. Esto representó una rápida implementación del trenzado de cables.

Nikola Tesla fue el padre del invento de la radio pero Marconi jugó mejor sus cartas. Entre ellas utilizar 17 de las patentes de Tesla. Tesla había patentado la idea en 1896 , antes que Marconi. Se enzarzaron en una disputa legal hasta que Tesla murió en 1943, año en el que la justicia inclinó la balanza a su favor y reconoció que el invento era suyo. Ya en 1892, Nikola Tesla tenía un diseño básico de radio. A principios de 1895, Tesla estaba listo para transmitir una señal a  80 Km a West Point, Nueva York. Pero en ese mismo año, un incendio consumió su laboratorio. El 8 de noviembre de 1898 patentó un robot-barco controlado por radio y lo presentó en la Exposición eléctrica en 1898, en el Madison Square Garden. Tesla presentó sus propias aplicaciones básicas de patentes de radio en 1897. Fueron concedidas en 1900. La primera solicitud de patente de la radio de Marconi en EEUU, fue presentada el 10 de noviembre de 1900 y fue rechazada. Las aplicaciones revisadas de Marconi en los siguientes tres años fueron rechazadas en varias ocasiones debido a la prioridad que tenía Tesla. Pero la confianza en Tesla se rompió en 1904, cuando la Oficina de Patentes de EE.UU de repente y sorprendentemente invirtió sus decisiones anteriores y entregó a Marconi una patente sobre la invención de la radio.

Guglielmo Marconi, a sus 21 años de edad, en 1895 ya había transmitido mensajes a una distancia cercana a los 3 Km, e inventó y perfeccionó un receptor de radio, enlazado con un aparato telegráfico para probarlo. El 12 de diciembre de 1901, Marconi estableció contacto a través de telegrafía inalámbrica, entre Poldhu en Cornwall y Signal Hill, St. Jones, Newfoundland. Los científicos fueron escépticos. Al mes siguiente Marconi aclaró las dudas, instalando un terminal  morse en el buque “Philadelphia”. La señal transmitida, la letra "S", y la transmisión de mensajes entendibles fue posible a una distancia cercana a los 2.500 Km. En 1901, la primera transmisión transatlántica se hizo mediante una malla de cables de cobre. Habían pocos receptores de radio y estaban muy alejados, por lo que los problemas de interferencias no se manifestaban. Marconi utilizó para transmitir dispositivos que producían chispas, dado que no se conocía aún el generador de onda continua descubierto por Fessenden en 1913. La generación de chispas que empleó Marconi radiaba ondas electromagnéticas con un gran ancho de banda y solo una pequeña banda de estas señales excitaba la antena y era aprovechada por la transmisión. Los transmisores de chispa utilizados en el inicio del siglo XX ocupaban todo el espectro que los receptores navales podían oír, lo cual provocó que todos los usuarios estuvieran en un canal compartido. Un operador naval de radio debía simplemente escuchar una pausa en las comunicaciones y luego transmitir. Este procedimiento limitaba las interferencias, pero tenía defectos. En la noche del 4 de abril de 1912, el “Titanic” estaba tan ocupado evacuando pasajeros del buque que rechazó un intento de transmisión desde el buque cercano “Californian” tratando de advertir que habían icebergs en las inmediaciones.

El mayor problema de los transmisores a chispa fue que empleaban un espectro demasiado ancho de frecuencias. Cualquier receptor dentro del rango de dos o más transmisores, podía recibir una mezcla mutilada de señales. Los éxitos en los enlaces dependían más de la potencia del transmisor que de la complejidad de los sistemas. El mejor operador de radio era el que transmitía primero y con mayor potencia. El desarrollo del oscilador de cristal de cuarzo, permitió que los cambios de frecuencias en los transmisores, fuera algo sencillo, tan simple como cambiar un cristal por otro. Los principios heterodinos fueron inventados por Reginald Fessenden. Él realizó la primera transmisión de fonía a larga distancia en 1906.  El receptor superheterodino, (receptor en que las oscilaciones de la onda transmitida se combinan con las de un oscilador local para obtener una oscilación de frecuencia intermedia, que es la que se utiliza para amplificar la señal), vino a mejorar la selectividad e incrementar la intensidad de la señal recibida.

Algún tiempo más tarde, los sorprendidos operadores de código Morse comenzaron a escuchar voces y música entre puntos y rayas, gracias a la invención de la modulación de amplitud (AM). La radio AM con base en tierra se extendió rápidamente durante la década de 1920. 

Pero el éxito trajo problemas. Las primeras estaciones de radio-difusión utilizaban cualquier frecuencia, a menudo interfiriendo con otras estaciones  en la misma frecuencia (o cercana). En algunas ciudades, nadie podía oír la radio de forma fiable. Varios países pronto resolvieron el problema de la misma forma: hicieron que fuera ilegal transmitir sin licencia y se aseguraron de que las estaciones autorizadas con la misma frecuencia estuvieran lo suficientemente lejos una de otra para evitar interferencias. Dado que las señales en la banda de AM (OL, OM y OC) llegaban más lejos durante la noche, algunas estaciones desafortunadas tuvieron que dejar de transmitir durante la noche. 

Los Europeos fundaron en 1933 desde la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en París el “Internacional Special Committe on Radio Interference” (CISPR), con sede en Suiza, cuyo objeto es prevenir las interferencias Luego de la Segunda guerra mundial en 1946 dicho Comité se reunió para recomendar las técnicas de medición y los valores de exposiciones límite. Estas técnicas han evolucionado a lo largo de las décadas y hoy forman la base de gran parte de las regulaciones de CEM hoy en el mundo. En 1934, EEUU creó la FCC (“Federal Communications Commission”) para regular el uso de las comunicaciones. En el mismo año siguió la creación de la VDE (Verband Der Elektrotechnik) alemana.

En la década de 1950 con el descubrimiento del transistor bipolar, en la década de 1960 con el descubrimiento de los circuitos impresos, y durante la década de 1970 con el descubrimiento de los microprocesadores se inició un importante incremento de las interferencias Es por esta razón que la FCC comenzó a establecer regulaciones en los dispositivos digitales para limitar las emisiones radiadas en respuesta al aumento del número de sistemas digitales que interferían las radio comunicaciones. En España, AENOR (“Asociación Española de NORmalización y certificación”) se creó en 1986, para elaborar las normas técnicas españolas (UNE). La ISO se fundó en 1947. La SAE se fundó en 1905 y su sede está en EEUU.

En los años 60, los problemas de CEM se centraron en la protección de la difusión de la TV. Con el avance de la electrónica y su uso en todos los aspectos de nuestra vida diaria, se hizo necesario el desarrollo de las Directivas y Normas para el control de las emisiones electromagnéticas para, proteger así el espectro radioeléctrico y el buen funcionamiento de todos los equipos electrónicos. La primera familia de circuitos integrados digitales que fue ampliamente usada fue la TTL a partir de 1965. En 1972 tuve mi primer problema con las interferencias en un contador diseñado y realizado con circuitos TTL. El gobierno de EE.UU. se involucró con los fabricantes de ordenadores digitales y dispositivos periféricos y comenzaron a vender un gran número de productos. Con la proliferación de los circuitos integrados digitales se produjo un aumento dramático de los problemas de CEM entre equipos.

A mediados de 1980, los estados miembros de la Unión Europea adoptaron una serie de directivas de "nuevo enfoque" con la intención de estandarizar los requisitos técnicos para los productos, de manera que no se convirtieran en un obstáculo para el comercio dentro de la UE. Una de ellas fue la Directiva de CEM (89/336/CE) obligatoria para  todos los equipos dentro del mercado de la UE. Su ámbito de aplicación abarca todos los aparatos "susceptible de causar interferencias o el desempeño de los cuales sea susceptible de ser afectado por dichas perturbaciones". La actual Directiva Europea en materia de CEM en vigor, de obligado cumplimiento, es la 2014/30/CE.

Algunos accidentes importantes debidos a problemas de interferencias fueron los siguientes:

• 1937: explosión del dirigible Hindenburg debido a una descarga electrostática (ESD) entre la cola y el poste de amarre. El Zeppelin se había cargado al navegar entre nubes de tormenta.
• 1967: La alta energía de RF generada por el radar del portaviones Forrestal iluminó un misil de un avión aterrizando, disparándose, alcanzando un avión en cubierta y explotando sus dos bombas. Fue un fallo de inmunidad a alta frecuencia.
• 1982: Guerra de la Malvinas. El destructor HMS Sheffield es destruido por un misil Exocet. El sistema anti‐misiles se debía desconectar cada vez que se debía comunicar con los Harrier, debido su generación de interferencias que impedía su comunicaciones.
• 1987: Un helicóptero Sikorsky Blackhawk experimentó movimientos incontrolados de los estabilizadores mientras volaba cerca de una antena de radio de alta potencia, en Alemania.

A nivel militar, a pesar de las ventajas de los satélites de comunicaciones, se ha comprobado que en el caso de hostilidades, especialmente civiles o comerciales (empleados por aquellos países que no tienen acceso a satélites militares), son vulnerables a las interferencias. Con el inicio de la guerra electrónicamente controlada, se incrementaron los requerimientos de los circuitos de comunicaciones.

El incremento continuo de las frecuencias de funcionamiento de los sistemas electrónicos ha provocado a tener una mayor necesidad del control de la CEM. Antes de la década de 1930, los diseñadores de circuitos eléctricos de radio y otros sistemas normalmente solo necesitaban asegurar que sus dispositivos funcionasen  en presencia de fuentes de ruido naturales como los rayos o las manchas solares. Es comprensible que se pensara poco en el diseño de sistemas que fueran inmunes a las interferencias externas, y prácticamente no se hacían esfuerzos para reducir las emisiones electromagnéticas de los sistemas eléctricos durante el período de diseño. En los años que siguieron, más y más fuentes artificiales de radiación electromagnética comenzaron a aparecer. El diseño de los sistemas compatibles electromagnéticamente todavía no era una prioridad durante este período, sin embargo los conflictos entre los dispositivos eléctricos se hizo mucho más común.

Durante las guerras modernas, se hizo evidente que los vehículos que emitían señales electrónicas, aún sin intención, se podían detectar a gran distancia. Por otra parte, un enemigo podía perturbar los sistemas eléctricos, como radios y dispositivos de navegación mediante la difusión intencionada de interferencias y de señales falsas. El advenimiento de la guerra electrónica marcó el comienzo de la necesidad de la inmunidad y la compatibilidad electromagnética. Después, los ensayos de armas nucleares indicaron que el pulso electromagnético (EMP) generado por una explosión nuclear podía dañar o destruir los equipos electrónicos del enemigo. Como resultado, los militares de EE.UU. se interesaron en la creación de sistemas que fueran inmunes a los efectos de las interferencias externas. En la década de 1960, las normas militares MIL-STD-461 y 462 se impusieron para la regulación de las emisiones electromagnéticas y la susceptibilidad.

Cuando los transistores de radio-frecuencia condujeron a poder tener radios de bajo costo de dos vías (Tx-Rx) en la década de 1970, el modelo sólo requería un pequeño cambio: la licencia debía cubrir la estación base del sistema, además de todos los transmisores móviles dentro de un área especificada. Actualmente, las licencias de teléfono móvil todavía funcionan básicamente de la misma manera. Pero hoy en día vivimos en un mundo muy diferente, rodeado de innumerables transmisores de radio de baja potencia como los ordenadores portátiles o los llaveros de control remoto, que envían datos digitales y operan sin licencia. Cada día habrán muchos más dispositivos inalámbricos digitales. Por lo tanto, evitar las interferencias era y es cada día más importante.

Los transmisores con un cierto nivel de potencia deben tener una licencia, para no amenazar a otros con las interferencias. Pero una gran parte del resto de transmisores con baja potencia pueden operar legalmente sin licencia. Hasta la década de 1980, los dispositivos sin licencia proliferaron lentamente: abridores de puertas de garaje, teléfonos inalámbricos analógicos, etc. El límite de potencia era muy bajo para este tipo de equipos (< 50 mW) para proteger a los usuarios contra las interferencias. Estos dispositivos dejaban a una gran cantidad de personas utilizarlos sin licencia, interfiriendo unos con otros.

Algunos dispositivos sin licencia mitigan las interferencias con un protocolo tipo "escuchar antes de hablar", que es básicamente una versión automatizada del método antiguo de principios del siglo XX. Otros, como las etiquetas RFID y algunos medidores inteligentes de servicios, simplemente transmiten cuando están preparados. Debido a que estos dispositivos son de baja potencia y transmiten mediante grupos cortos de impulsos, muy distantes entre sí, cualquiera que sea la causa de la interferencia, es generalmente tolerable.

Las comunicaciones sin licencia se han multiplicado más que los teléfonos móviles y otras aplicaciones de radio con licencia. Afortunadamente, la potencia y el alcance de todos estos transmisores sin licencia ha ido disminuyendo, lo que ha ayudado a tener más espacio para ellos en el espectro. Sin embargo, para evitar que las interferencias sean un problema grave en el futuro, sobre todo con la llegada de la telefonía 5G, se deberán encontrar nuevas técnicas para compartir el espectro. 

Con la nueva generación de teléfonos móviles 5G, se van a poner a prueba nuevos métodos de prevención de interferencias. Muchas de las aplicaciones 5G previstas se usarán en lugares con gran cantidad de personas. Con tantos dispositivos funcionando en una área relativamente pequeña, se pondrán a prueba los métodos convencionales para prevenir interferencias.

Hay un proceso en curso para la asignación de bandas base 5G comprendidas entre 24 y 40 GHz. Deberá asegurarse un ancho de banda suficiente para gestionar muchas veces más los datos que 4G puede manejar hoy en día. Pero con estas frecuencias, la propagación de la señal  será un problema. Estas señales no pueden penetrar de forma fiable los materiales de construcción y el uso de los teléfonos 5G en el interior de los edificios requerirá instalar estaciones base interiores, al menos una estación por planta en un edificio de oficinas. Una forma de evitar estas limitaciones podría ser usar un enfoque llamado “redes en malla”, que utilizaría la intervención de los propios dispositivos móviles para llegar a otro teléfono que, sin este enfoque, estaría fuera de cobertura.

Como se ha visto, día a día es más importante asegurar que todos los dispositivos electrónicos son electromagnéticamente compatibles para proteger el espectro radio-eléctrico y evitar tener problemas de interferencias.

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