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Este artículo explora los detalles sorprendentemente complicados asociados con una palabra que usamos con frecuencia pero que quizás no entendemos completamente.

El término "ancho de banda" surge en una amplia variedad de discusiones de ingeniería. Circuitos analógicos, prueba y medición, sistemas de radiofrecuencia, comunicaciones digitales, computación: el concepto de ancho de banda es parte integral de la tecnología electrónica moderna.

¿Así que, qué significa?

Sinceramente, me pregunto cuántos de nosotros podríamos producir inmediatamente una definición o explicación coherente de la palabra “ancho de banda”. Gran parte de la dificultad se origina en el hecho de que la palabra tiene varios significados. Otra fuente de confusión, o al menos incertidumbre, se encuentra entre los detalles sutiles que a veces podemos ignorar.

La definición de ancho de banda: el ancho de la banda

Siempre que sea posible, me gusta comenzar con una definición que se base en las palabras constituyentes de un término, o en la etimología cuando las palabras constituyentes no son fácilmente reconocibles. El término en cuestión obviamente se compone de "banda" y "ancho". Esta "banda" se refiere a una banda, o rango, de frecuencias, y "ancho" se refiere a la apariencia de esta banda cuando se ve en el dominio de la frecuencia.

Representación en el dominio de la frecuencia de una señal compuesta por dos ondas sinusoidales de una sola frecuencia.

Banda estrecha vs banda ancha

Este breve análisis ya ha descubierto un problema. Digamos que estamos dando un paseo por el bosque y señalo un arroyo. "¿Es esa corriente de ancho?" Pregunto. No hay, por supuesto, respuesta a esta pregunta. Claro, es ancho para el renacuajo que intenta nadar a través de él, pero no sería ancho para un elefante.

Del mismo modo, si describimos un ancho de banda como ancho o estrecho, en realidad estamos comparando el ancho de banda con otra cosa. Si todos entienden el punto de comparación, no debería haber confusión, pero es bueno recordar que "banda ancha" y "banda estrecha" pueden significar cosas muy diferentes para, por ejemplo, un investigador que trabaja con sistemas de banda ultra ancha y un sistema analógico. diseñador acostumbrado a los circuitos op-amp de bajo ruido que no necesitan procesar frecuencias superiores a unas pocas decenas de kilohercios.

En muchos casos, tiene más sentido especificar realmente el ancho de banda. Esto ciertamente elimina la ambigüedad de describir un ancho de banda como "ancho" o "estrecho", pero de ninguna manera es una solución perfecta.

Cómo elegir una banda

Si alguien te entrega un módulo amplificador y dice que tiene un ancho de banda de 200 kHz, ¿qué significa eso? Presumiblemente, algún aspecto prominente de la respuesta de frecuencia del amplificador involucra frecuencias que cubren un rango de 200 kHz. Sin embargo, ese tipo de información vaga no pertenece a ningún proyecto de ingeniería, así que veamos más de cerca.

El ancho de banda de un amplificador o filtro no especifica el rango de frecuencias para el cual el circuito es funcional, si "funcional" significa "capaz de producir algún tipo de señal de salida". Más bien, especifica el rango de frecuencias para el cual el circuito se encuentra Algunos criterios de rendimiento. El criterio más común se basa en la frecuencia de –3dB. Una reducción de 3 dB en magnitud corresponde a una reducción del 50% en la potencia, y esto se ha elegido como una forma conveniente de identificar el ancho de banda.

¿Ancho de banda del filtro de paso de banda?

Para un filtro de paso bajo, entonces, un ancho de banda de 200 kHz indica que 200 kHz es la frecuencia a la que el circuito suprime la mitad de la potencia de la señal, y que todas las frecuencias por debajo de 200 kHz tienen una supresión de potencia inferior al 50%.

Es importante entender que el ancho de banda podría significar algo más en este contexto. Tal vez un dispositivo proporcionará un rendimiento adecuado incluso cuando la señal de entrada tenga un poder reducido en un 80%. En este caso, sería factible definir que el ancho de banda se extienda desde 0 Hz a la frecuencia a la que el filtro suprime el 80% de la potencia.

¿Cuál es entonces el ancho de banda de un filtro de paso alto?

Si alguien le dice que un filtro de paso alto tiene un ancho de banda de 200 kHz, no dude en responder con una mirada en blanco. Si aplicamos la lógica de filtro de paso bajo a una respuesta de paso alto, la banda se extiende desde la frecuencia de –3dB hasta el infinito. Supongo que el ancho de banda de un filtro de paso alto podría ser el ancho de la banda de frecuencias que experimenta mas que 50% de supresión de energía, pero no creo que la gente use el término de esta manera.

La conclusión aquí es que el ancho de banda es un término bastante nebuloso, incluso en el contexto limitado de amplificadores y filtros. En caso de duda, pedir aclaraciones.

Ancho de banda en aplicaciones de radiofrecuencia

El diseño de los sistemas de RF implica un extenso análisis de cómo las frecuencias de señales cambian e interactúan, y las referencias al ancho de banda no son en absoluto infrecuentes. Desafortunadamente, "ancho de banda" no es un término particularmente sencillo en el mundo de RF.

El ancho de banda de -3dB

Primero, tenemos la versión –3dB del ancho de banda. Si se está describiendo una señal de banda base, supongo que el ancho de banda indica el rango de frecuencias de 0 Hz a la frecuencia en la que la representación en el dominio de la frecuencia de la señal tiene una magnitud que es 3 dB menor que la magnitud máxima.

Señales moduladas y espaciado de canales

A continuación, tenemos ancho de banda en el contexto de las señales moduladas y el espaciado de canales. El problema aquí es la separación de frecuencia necesaria para señales moduladas que podrían interferir entre sí.

Si un determinado estándar inalámbrico utiliza canales que tienen un ancho de banda de 1 MHz, ¿significa esto que todo el espectro de una señal modulada está contenido dentro de una banda de 1 MHz? No, porque las pequeñas cantidades de energía se extienden inevitablemente más allá de la frecuencia central de un espectro.

Uno de mis libros de texto dice que los ingenieros de RF suelen utilizar el "99% de ancho de banda", es decir, un rango de frecuencia que contiene el 99% de la potencia del espectro. El punto aquí es que el rendimiento no se degradará significativamente si los canales están separados de manera tal que solo el 1% de la potencia de la señal esté interfiriendo con los canales adyacentes. Este diagrama transmite la idea general:

Frecuencias negativas

Finalmente, está el tema de las frecuencias negativas. A veces, el ancho de banda incluye frecuencias negativas; otras veces, no lo hace.

Por ejemplo, si estamos hablando de una señal de banda base, el ancho de banda podría referirse a un rango de frecuencia que se extiende desde 0 Hz a alguna frecuencia (positiva) relacionada con el espectro de banda base. Sin embargo, si esa señal de banda base se desplaza a una frecuencia más alta a través de la modulación de amplitud (por ejemplo), las frecuencias negativas también se desplazan, y ahora el ancho de banda de la señal modulada es más ancho que el ancho de banda descrito en la oración anterior.

Ancho de banda en otros contextos

Si este artículo lo ha hecho más consciente de las complicaciones asociadas con el concepto de ancho de banda, espero que también le haya ayudado a comprender estas complicaciones y cómo tratarlas. En el próximo artículo, continuaremos esta discusión explorando el ancho de banda en el contexto de señales digitales, sistemas de comunicación y procesadores.