Primera prueba de alcance WiFi

En la anterior entrada dije que contaría los resultados de la primera prueba de alcance WiFi, y eso haré en esta.

A pesar de que los cálculos teóricos decían que con una antena omnidireccional de 12 dBi y otra de 2 dBi se puede cubrir una distancia de más de 2 Km, no acababa de creérmelo. Las redes inalámbricas domésticas y de oficina no suelen llegar mucho más allá de un par de habitaciones, con antenas grandes o pequeñas. Está claro que las paredes atenúan mucho la señal, pero ¿tanto?.

Tenía que hacer una prueba para convencerme, así que dejé un punto de acceso configurado en modo "master" con la omni de 12 dBi en el jardín de casa y me fui con el coche para ver a dónde era capaz de llegar la cobertura de red. Para probar la cobertura llevaba un portátil, un adaptador USB-WiFi y un par de antenas: una omni de 2 dBi y una Yagui de 12 dBi. La primera parada, a menos de 300 metros en línea recta, ya me dejó claro que la red tenía más alcance de lo que mi intuición me había dicho. La señal se recibía con fuerza con la omni de 2 dBi.


Alentado por el resultado me fui al lugar más alejado posible con visión directa al punto de acceso, que resultó ser de 1,2 Km, después de consultarlo en Google Maps. La señal se recibía más tenue con la omni, pero todavía con fuerza suficiente como para establecer un enlace a 54 Mbps. Mucha mejor señal que la que obtengo del router desde mi habitación, a menos de 10 metros de distancia.



Con la antena Yagui, la señal era perfecta. El Network Manager indicaba un 98 % de calidad del enlace. Debería haber tomado las medidas de señal en dBm, utilizando, por ejemplo, la salida del comando iwlist scan, o el contenido del archivo /proc/network/wireless. Pero por alguna razón el adaptador de USB que uso no parece dar valores en dBm, o yo no les he encontrado el sentido. Tengo que investigar eso un poco más.

Aquí hay una vista desde el lugar donde estaba situada la Yagui. La situación del punto de acceso está indicada por la flecha roja:

Coninua...

Experimentos con redes inalámbricas

Hace unos días leí un libro llamado "Redes inalámbricas en los países en desarrollo", disponible gratuitamente en la web http://wndw.net. Trata muchos de los aspectos prácticos necesarios para montar una red inalámbrica de largo alcance, cubriendo tanto el hardware como el software. Llevaba unos días estudiando algo sobre la teoría de radioenlaces en su parte más teórica, y este libro fue el complemento perfecto para poder asociar la teoría con la práctica. Es el libro de referencia para aquel que quiera montar una red o un enlace WiFi cubriendo una gran distancia. Eso sí, es necesario tener ciertos conocimientos sobre administración de sistemas GNU/Linux para entender muchos de los capítulos.

Todo esto forma parte del proyecto en el que estoy trabajando (sí, en el trabajo, no en casa). Entre mil cosas más, tenemos que estudiar diferentes posibilidades para la comunicación entre unos equipos bastante alejados entre sí, y de ahí mi actual interés en esta tecnología. Este tipo de cosas son las que hacen que me encante mi trabajo.

Pues bien, esta semana me llegaron varias antenas, un punto de acceso y un adaptador USB-WiFi con conector para antena externa. Todos ellos son de lo más económico, ya que únicamente se usarán para hacer algún experimento y, si todo va bien, quizá un prototipo funcional.

Aquí va una foto de una de las antenas Yagi de 12 dBi, montada sobre un trípode de cámara fotográfica:


Hoy he hecho las primeras pruebas de alcance, pero como quiero mantener los textos cortos, lo dejo para el próximo post. Coninua...

Luz polarizada III: Stress

En una entrada anterior he hablado sobre una característica particular de algunos materiales llamada birrefringencia, que hace que la luz que lo atraviesa se descomponga en dos haces polarizados perpendicularmente entre sí. He mencionado también un mineral llamado espato de Islandia que tiene esa propiedad. Es un ejemplo de material que posee birrefringencia intrínseca, ya que ésta se debe a la propia composición del cristal. Pero esa no es la única forma de que un material sea birrefringente. Existe también la birrefringencia por tensión (stress birefringence), que se produce en algunos materiales al ser sometidos a fuerzas externas que causan una deformación en ellos.


Existe una forma sencilla de observar este efecto. Para ello necesitamos una fuente de luz polarizada que proporcione un fondo blanco y un filtro polarizador, a través del cual observaremos. No parecen cosas sencillas de conseguir, pero lo son. Ya he comentado que un filtro polarizador puede obtenerse de un viejo display LCD (incluso el de un reloj digital de pulsera). También sirven unas gafas de sol polarizadas, o un filtro de fotografía. Incluso podemos comprar láminas de gran tamaño. La fuente de luz polarizada es aún más fácil de conseguir, ya que probablemente la tengas delante ahora mismo: un monitor LCD o TFT. Por su propio principio de funcionamiento, la luz que emerge de un monitor o un televisor LCD está fuertemente polarizada. Puedes comprobarlo girando un filtro polarizador frente a uno de ellos.


Ahora necesitamos algún material que posea la rara cualidad de ser birrefringente al ser sometido a deformación. Eso sí que suena más difícil de conseguir. Pues no. Nos sirve cualquier objeto de plástico transparente. Una botella de Coca-cola, una bolsa, el envase de 50 DVDs para grabar todo lo que bajas con eMule... vamos, casi cualquier cosa transparente que tengas a mano. Mirando hacia el monitor LCD a través del filtro polarizador y situando el objeto a observar entre ellos, puedes observar cómo aparecen zonas de colores en toda su superficie que indican el grado de deformación al que fue sometido el material.

La siguiente fotografía muestra las bandas de color que aparecen en un envase de polipropileno para almacenar CDs. ¿Que por qué sé que está hecho de polipropileno?. Pues por su código de identificación de material reciclable.


Este tipo de objetos son fabricados mediante moldes y a gran velocidad, lo que hace que durante el proceso queden sometidos a fuertes tensiones internas que quedan "congeladas" en el material a través de la orientación de sus moléculas. Eso produce anisotropías en la conducción de la luz, lo que da lugar a la birrefringencia. Un material con el que es muy fácil observar los efectos de la deformación es el film para envolver alimentos. En las siguientes imágenes vemos su aspecto antes y después de ser deformado. Tras la deformación aparecen nuevas zonas de color.


No sólo los materiales termoplásticos presentan birrefringencia por tensión. También los objetos de vidrio pueden "recordar" las deformaciones sufridas durante su fabricación. Aquí están mis gafas vistas a traves del polarizador:


Esta técnica es usada industrialmente para analizar y medir tensiones en objetos. Esto es sencillo si se sabe qué color corresponde a qué tensión. El gráfico de birrefringencia de Michel-Levy es muy útil para ello. Dado un material de espesor conocido, podemos obtener su birrefringencia (denotada como n1-n2, la diferencia entre sus dos índices de refracción) en función de la longitud de onda del color que veamos en cada punto de su superficie. El valor de la birrefringencia depende de la tensión a la que haya sido sometido el material.


Vemos que los colores que aparecen en el material son los del espectro luminoso, lo que indica que la birrefringencia, junto con la refracción o la difracción, es otro de los fenómenos que pueden producir la descomposición de la luz en sus longitudes de onda individuales. La explicación de por qué ocurre esto me la ahorraré, porque el post es ya demasiado largo. Quien tenga interés por llegar más al fondo del asunto puede encontrar una buena explicación en esta página. Siento que esté en inglés.
Coninua...

Teléfonos móviles y gasolineras

¿Puede un teléfono móvil producir una explosión en una gasolinera?. No hay evidencias de que se haya producido nunca, pero la posibilidad, aunque remota, existe. El siguiente vídeo muestra un experimento que cualquiera puede probar en su casa.

¿Por qué ocurre esto?. La radiación de microondas que emite un móvil durante una llamada induce tensiones y corrientes eléctricas en los materiales conductores que se encuentren cerca. Si las tensiones son lo suficientemente elevadas y el conductor tiene la forma adecuada, se podría producir en él una chispa que encienda el combustible. Una bola de papel de aluminio tiene muchos pliegues, de distintas formas y dimensiones, por lo que las posibilidades de que en uno de ellos se producta una chispa son mucho mayores que en otras piezas metálicas de geometría más sencilla. Coninua...

Los colores de un CD parte IV: Un CD muy de cerca

En las entrada anteriores he comentado algunos de los efectos colaterales del hecho de que la superficie de un CD esté hecha de multitud de pequeños agujeros, o pits. Pero ¿pueden llegar a verse esos agujeros?.

Veamos. La anchura de los pits es de unos 500 nm, o media micra. Esto es, media milésima de milímetro. Recordemos que la longitud de onda de la luz verde, que está en el medio del espectro visible, es de precisamente de ese orden. Eso quiere decir que estaríamos cerca del límite teórico de lo que es observable con luz visible. No es que nuestros ojos, lupas o microscopios no tengan suficiente calidad como para ver cosas tan pequeñas, es que el mundo es borroso por debajo de ese límite. Intentémoslo de todos modos.

El poder de resolución del ojo humano está en torno a una décima de milímetro, así que está claro que habrá que aumentar la imagen un poco. Esto es, más o menos, lo máximo que podemos aspirar a ver a simple vista:


Probemos ahora con un microscopio. He utilizado un microscopio bastante decente que compré en Lidl (¡sí, ese Lidl!). Algún día escribiré una entrada acerca él, ya que es probablemente el microscopio con mejor relación calidad-precio que se puede conseguir. Para hacer las fotografías he montado mi nueva y flamante cámara Canon EOS 350D sobre un trípode, de forma que el objetivo apunte directamente al ocular del microsopio. Nada de foco primario ni montajes complejos. La luz proviene de una lámpara de mesa colocada sobre el CD, iluminando lateralmente. La lámpara es de bajo consumo para no calentar demasiado el CD y el microscopio (en cierta ocasión tuve una mala experiencia con una halógena). Es importante que la luz incida más o menos perpendicularmente a la dirección de las pistas, ya que en caso contrario apenas se pueden distinguir detalles.

Para empezar utilizo el objetivo de 4x y el ocular de 10x en el microscopio, lo que nos daría 40 aumentos. La cámara tiene el zoom al máximo, por lo que aumenta algo más la imagen.


Ya se puede ver un fino granulado. Esto me sorprendió, ya que observando con el ojo en el ocular apenas se podía distinguir nada. He apuntado el microscopio hacia una zona del disco que contiene detalles visibles para facilitar en enfoque.

Más trucos: la imagen es en blanco y negro porque me he quedado únicamente con el canal verde de la fotografía en color. Esto lo he hecho por dos razones. Por un lado, para evitar la aberración cromática que inevitablemente produce la óptica del microscopio, y por otro, porque en las cámaras digitales el canal verde proporciona una mejor calidad de imagen (mejor relación señal-ruido) que el rojo o el azul. También existe algo de aberración esférica, por lo que los bordes han sido recortados para mejorar el aspecto. Por último, he sacado la foto en formato raw y posteriormente he aumentado el contraste forzando un poco los niveles de gris, así se aprecian mejor las diferencias entre las pistas de datos y el metal liso.

Más aumentos. Ahora con el objetivo de 10x:


Ya se aprecia claramente el mar de pits y lands. Uno se da cuenta de lo realmente pequeños que son. Si pudiésemos desenrollar la pista espiral de un CD, abarcaría una longitud de unos 6 kilómetros. Casi nada.

Aumentando aún más, óptica y digitalmente, llegan a apreciarse perfectamente los pits y lands individuales:


Es lo máximo que se puede hacer con este microscopio, pero me atrevo a decir que es también prácticamente lo máximo que puede lograrse con cualquier microscopio óptico. Es cierto que podemos aumentar algo más la resolución si iluminamos con luz violeta o ultravioleta cercano, pero no mucho más.

Si queremos más detalle tendremos que utilizar otras técnicas, como la microscopía electrónica. La longitud de onda de los electrones acelerados es mucho menor que la de la luz visible, por lo que estos aparatos logran observar detalles miles de veces más pequeños. Como comparación, a continuación se puede ver una imagen de un CD tomada mediante un microscopio electrónico de barrido.



Todo lo anterior es cierto para un CD original fabricado por estampado, pero no para un CD grabable (CD-R), como los que usamos para grabar música en MP3. En este caso no hay pits ni lands, sino un único surco en espiral utilizado para guiar al láser durante la grabación. La siguiente imagen muestra un pequeño fragmento de un área ya grabada. Se pueden apreciar los "bits" de información como pequeños abultamientos en las líneas.


He intentado también fotografiar los pits de un DVD original, pero no he llegado a obtener más que un granulado informe. Realmente he llegado al límite de resolución del microscopio.

Por último y para hacerse una mejor idea de las dimensiones del asunto, aquí va un montaje con toda la secuencia de ampliaciones y sus escalas comparadas (pincha en ella para agrandar):




Con esta entrada finalizo esta serie de entradas acerca de la estructura de los discos ópticos. Eso no quiere decir que no se puedan hacer más cosas interesantes con ellos, pero prefiero introducir un poco de variedad al blog. Quizá más adelante. Coninua...

Los colores de un CD. Parte III: Descomponiendo la luz

Ya he hablado en las entradas anteriores sobre la forma en la que un CD descompone la luz visible desplegando su espectro de colores. Alguien observador puede darse cuenta además de que el "arco iris" que vemos en el reflejo de un CD no siempre es igual.

La siguiente fotografía muestra un CD-ROM iluminado por una bombilla incandescente.


Mientras que en esta otra fotografía vemos el mismo CD bajo una lámpara fluorescente compacta (la típica bombilla de bajo consumo):



Vemos que en el segundo caso el espectro parece estar "hecho a trozos", mientras que en el primer caso es continuo, con transiciones suaves entre un color y otro. Está claro que cada tipo de fuente luminosa produce un espectro diferente.

El ojo humano no puede apreciar muchas diferencias entre la luz emitida por una lámpara halógena, una bombilla incandescente o una fluorescente. Como mucho distinguirá variaciones en la llamada temperatura de color o en la intensidad luminosa. Esto se debe a que el ojo no es capaz de distinguir todos los colores de los que está compuesta la luz que le llega, ya que cada cono es sensible a un rango bastante amplio de longitudes de onda. Nos perdemos mucha de la información que transporta la luz.

Ocurre que cuando un objeto produce luz, no lo hace con igual intensidad en todas las longitudes de onda. Algunos objetos, como un metal incandescente, producen un espectro continuo según un modelo conocido como ley de Planck; otros, como un láser, producen únicamente luz de una longitud de onda determinada (mi puntero, por ejemplo, es de 532 nm) y no emiten nada de luz de otro color. Aún más interesante es el caso de otras sustancias, como los gases ionizados o plasmas, que producen luz en ciertas longitudes de onda muy concretas, dando lugar a lo que se conoce como bandas o líneas de emisión. Un espectro de este tipo se llama espectro de emisión.

Lo realmente interesante del asunto es que un espectro de emisión es una especie de huella dactilar de la sustancia que lo ha originado. En concreto, cada elemento de la tabla periódica produce su particular serie de líneas que lo diferencian de los demás. Esto es algo muy conveniente, ya que más del 99 por ciento de la materia observable es plasma. Es plasma el fuego, los relámpagos, las auroras boreales, las estrellas, las nebulosas de emisión y el interior de las lámparas fluorescentes.

Volvamos a los colores reflejados en un CD. Con una colocación de la cámara más cuidada he hecho varias fotografías, como la siguiente:


Se aprecian perfectamente las bandas de emisión, desde el rojo hasta casi el violeta. Por debajo del rojo se comienza a repetir de nuevo la secuencia debido a la existencia de varios órdenes de difracción, como comenté en la entrada anterior. Si hacemos que la fuente de luz pase por una ranura estrecha, que puede estar hecha con un trozo de cartón, podemos lograr una mayor resolución en las líneas. Tras unos minutos de edición con GIMP he conseguido un espectro bastante presentable:



Vuelvo a la imprescindible Wikipedia para obtener la gráfica del espectro de emisión de una lámpara fluorescente. En la siguiente imagen muestro una superposición de la curva espectral obtenida mediante un espectrómetro digno de ser llamado así y del espectro que he obtenido mediante un CD, un trozo de cartón y una cámara digital. Como ves, coinciden perfectamente.


Según Wikipedia, las líneas 1, 2 y 5 son las correspondientes al vapor de mercurio de la lámpara, mientras que las demás son debidas a las tierras raras, como terbio y europio, que forman parte de los fósforos que recubren el interior del tubo. ¿Y qué demonios hacen esas sustancias en mi lámpara?. Supongo que debería hablar un poco de ello, aunque no sea el tema principal de este texto.

Una lámpara fluorescente, compacta o no, funciona más o menos así: se hace pasar una corriente eléctrica por dos filamentos de tungsteno, uno colocado a cada extremo del tubo. La resistencia del filamento hace que éste se caliente. Además, entre los dos filamentos existe una diferencia de potencial. Esto hace que se produzca el llamado efecto Edison o termoiónico, gracias al cual aparece una corriente de electrones que circulan entre los filamentos, atravesando el gas inerte de baja presión que contiene el tubo (normalmente argon o xenon). Esta corriente hace que el gas se ionice, debido al impacto de los electrones sobre los átomos de éste. Al ionizarse, estos átomos liberan más electrones que se unen a los que partieron de los filamentos, lo que produce un aumento rápido de la corriente que circula por el gas (efecto avalancha). En el tubo, además del gas noble existe una pequeña cantidad de vapor de mercurio cuyos átomos, debido a lo que se les viene encima, empiezan a emitir luz ultravioleta. Esta luz es absorbida por el recubrimiento de distintas mezclas de fósforos que tiene el tubo en su interior y reemitida en forma de luz visible debido a una propiedad llamada fluorescencia. El vidrio del tubo, además, es opaco a la luz ultravioleta, gracias a lo cual no sufrimos desprendimiento de retina al mirar hacia una lámpara fluorescente. Por cierto, es curioso saber que los fósforos son sustancias que no tienen nada que ver con el fósforo. Ni siquiera el mecanismo de emisión de luz es parecido. Pero no voy a desviarme más del tema

El hecho de que aparezcan lineas de emisión del mercurio en el espectro visible se debe al llamado desplazamiento de Stokes, por el que la longitud de onda predominante de la luz absorbida por una sustancia fluorescente aparece también en la luz que ésta emite, pero desplazada a una longitud de onda más larga.

Bien. Todo este rollo para explicar por qué aparecen unas bandas de colores el los reflejos de un CD. Pero pensemos sobre ello: hemos observado las líneas espectrales producidas por la luz de un gas en estado de plasma al descomponerse en una rejilla de difracción. Esto es exactamente lo que hacen los astrofísicos para conocer la composición química, entre muchas otras cosas, de estrellas y nebulosas. Gracias a esas líneas conocemos las reacciones que se producen en las estrellas, podemos calcular la distancia de las galaxias más lejanas o conocemos la edad y el tamaño del Universo. No hay que menospreciar los pequeños detalles que observamos en la vida cotidiana. Coninua...

Los colores de un CD. Parte II: cómo medir la distancia entre pistas

Hace un tiempo mi novia me regaló un puntero láser verde. Ese tipo de punteros son utilizados por astrónomos aficionados (como un servidor) para apuntar y señalar objetos astronómicos. Debido a la dispersión de Rayleigh el haz láser verde es visible en el cielo y resulta muy espectacular, además de práctico. Es divertido apuntar con él a todo tipo de objetos y observar los efectos que produce la luz al reflejarse o dispersarse. Todavía recuerdo mi asombro cuando apunté con él a un CD. Sabía lo que debía ocurrir, pero una cosa es conocer la teoría y otra muy diferente contemplar sus efectos.

El láser, al incidir sobre la superficie reflectante del disco se difracta, dividiéndose en varios haces. En el caso de un CD de audio o de un CD-ROM, un láser de luz visible produce cinco haces diferentes al reflejarse.



Si colocamos el puntero perpendicular al plano del CD, como se muestra en el dibujo anterior, el reflejo principal, llamado de orden 0, sale también perpendicular, como ocurriría en un espejo "normal". Los haces de orden 1 o superior son parejas simétricas y salen con cierto ángulo respecto al principal. Dependiendo de la longitud de onda y la separación de las ranuras (las pistas del CD), los ángulos varían según la siguiente fórmula:

Donde lambda representa la longitud de onda del haz, alfa el ángulo del haz reflejado, d la distancia entre ranuras y m el orden del haz reflejado (0, 1, 2, etc).

Bien, pasemos a la acción. Vamos a intentar medir la distancia entre pistas de un CD (sí, ya sé que es una única pista en espiral, pero nos entendemos) usando un puntero láser. No hace falta que sea un puntero verde tan chulo como el mío. Puede ser uno de esos rojos de 3 euros que venden los chinos. Yo he montado el CD en el borde lateral de una mesa mediante dos trozos de cinta adhesiva y he utilizado un poco de plastilina para apoyar el puntero.


Si lo alineamos todo bien, podemos hacer que el láser pase al mismo nivel que la superficie de la mesa, de forma que veremos su luz. Otra forma de ver el haz sería utilizar humo o vapor, por ejemplo. Con un papel sobre la mesa podemos marcar la situación de los haces para después calcular los ángulos mediante trigonometría.


Yo he obtenido un ángulo de 21 grados para el reflejo de orden 1 y 45 grados para el de orden 2. La longitud de onda del láser suele venir indicada en una pegatina en el propio puntero. En mi caso es 532 nanómetros. Con estos datos obtengo una distancia entre pistas de 1.48 micras (1480 nanómetros) con el haz de orden 1 y de 1.50 micras con el de orden 1. Esta medida es aproximadamente 40 veces menor que el diámetro de un cabello humano y un poco más pequeña que una típica bacteria escherichia coli.

El resultado no está nada mal. Leyendo en Wikipedia podemos ver que el valor estándar es de 1.6 micras, pero rebuscando algo más por la web (por ejemplo aquí) averiguamos que existe una tolerancia permitida entre 1.5 y 1.7 micras. Un poco justos, pero podemos darlo por válido. Yo no he hecho más pruebas, pero refinando el método y midiendo diferentes discos seguramente podríamos llegar a un resultado más cercano a 1.6 micras.

Probemos ahora con un DVD. Estos tienen más capacidad gracias a una mayor densidad de información. El láser reflejado en un DVD tiene un aspecto tal que así:


Los haces difractados están más separados, hasta el punto de que sólo son visibles las reflexiones de orden 0 y 1. Haciendo los cálculos del mismo modo he llegado al resultado de 740 nm, aproximadamente la mitad que en el caso de CD. Sorprendentemente esa es exactamente la distancia habitual. ¡Prometo que no lo sabía antes de realizar las medidas! Coninua...