MODULACIÓN DIGITAL

Articulo leido en el Programa Colombiano para Radio aficionado el domingo 23 Diciembre 2014.

En el mundo de la radio tenemos tres grandes tipos de enviar información: Fonia, Telegrafía y modos Digital.

La fonia es el envío de la voz modulando uno de los parámetros de la frecuencia portadora en forma proporcional a la amplitud de la voz. Los métodos más usados son la Modulación de Amplitud AM o Modulación de Frecuencia  FM. Una optimización de la modulación de amplitud condujo al uso de la Banda Lateral Única (SSB) con dos variantes Banda Lateral Inferior o LSB o Banda Lateral Superior o USB.

La telegrafía se usa para enviar textos  con caracteres alfa-numéricos los cuales se codifican de acuerdo al alfabeto Morse.  El alfabeto Morse los caracteres se codifica en una secuencia de puntos y raya representada por la presencia de una señal.  En Morse el signo esta codificado por la mayor o menor duración de la señal.  Curiosamente oído humana educado, como es el caso de los telegrafistas, decodifican fácilmente el Morse pero ha sido casi imposible decodificarlos con máquinas o computadores.

La forma más común de transmitir telegrafía es con un interruptor que conecte y desconecte la alimentación de corriente del transmisor de radio. El interruptor se llama “llave” o Key en inglés.

Como durante el punto o la raya se transmite una onda de radio de forma continua, esta modulación se conoce como Onda Continua y en inglés como Continius Wave abreviado CW.

El código Morse es una colección de puntos y rayas sin una lógica clara lo que hace muy difícil su interpretación por una máquina.  Entonces se creó otro método de codificar los caracteres utilizando cinco (5) intervalos de tiempo de duración igual los cuales se transmiten en secuencia. En el intervalo puede o no haber señal, es decir tiene dos estados que se llaman Marca y Espacio.  Cuando se para de un intervalo al siguiente puede producirse un cambio de la señal, esto se llama un “desplazamiento” y en ingles “Shift”. Cinco intervalos con dos estados permiten 32 diferentes combinaciones. Los cinco intervalos se denominan un “Baudio” y un baudio representa un carácter alfa-numérico.

El nuevo método de transmisión se denominó RTTY o Radio-Teletipo. La codificación del texto al código por transmitir lo puede realizar una máquina y en el lado receptor una maquina se puede hacer cargo de la descodificación a texto.

Los primeros radioteletipos modulaban la portadora similar a la telegrafía, es decir si en el intervalo había señal (Marca) ponían portadora, pero si en el intervalo no había entonces suprimía la portadora (Espacio).   Este método de modulación se conoce en inglés como Amplitud Shift Key  ASK que podemos traducir como Llaveo por Desplazamiento en Amplitud. 

En el lado receptor la detección de la amplitud de una portadora es muy afectada por el ruido y la debilidad de la señal recibida, esto hace que la recepción de señales de RTTY es muy interferida con el método de modulación AFK por lo cual se ideo otra forma de modular en la cual la portadora se transmite en dos diferente frecuencias separada unos cuantos cientos de Hertz. Al espacio se le asigna una frecuencia y a la marca la otra frecuencia.  De esta manera siempre hay una frecuencia transmitiéndose y el desplazamiento entre marca y espacio se consigue cambiando la frecuencia de transmisión. El método se conoce como Frequency Shift Key o abreviado FSK.

Resumiendo, hay dos modos de modular en radioteletipos o RTTY: ASK o FSK, la mas usada actualmente es FSK.

 

Recordemos que existe otro parámetro en las ondas de radio que podría cambiarse (modularse), este es la fase. La onda de radio es una señal cíclica, lo que podemos hacer es en un momento dado tratar de adelantar o atrasar la salida de la onda sin cambiar la frecuencia.  Un pequeño desplazamiento en la fase es difícil de detectar en el lado receptor pero si hacemos un cambio de fase de 180 grados, es decir cambiamos la dirección de la salida, esto si es fácil de detectar.

Como la modulación de fase no es buena para pequeñas variaciones la hace inútil para transmitir fonia pero si nosotros la usamos para transmitir dos estados 0 y 180 grados lo podemos usar para transmitir información binario (marca, espacio) o Ceros y Unos.

En ingles fase se escribe con PH (phase) por lo cual la modulación de face se conoce como PM, y si usamos la modulación de fase para producir desplazamientos de estados (llaveo)  dando lucar a la modulación PSK o Phase Shift Key.

Resumiendo, para trasmitir información de dos estados o binaria podemos usar ASK, FSK o PSK.

PSK puede ser hecha cambiando la señal entre dos fase 0 y 180 grados, esto es conocido como modulación de dos fases o binaria y se denomina BPSK, pero es posible transmitir usando 4 posibles fases 0, 90, 180 y 270 grados creándose una modulación Cuadratica , en ingles se escribe con Q dando lugar a la modulación QPSK.  Es posible hacer modulación usando 8, 16 o 32 fases pero estas no son utilizadas en la radio de aficionados.

Espero que después de esta charla se tenga una mejor comprensión de los términos CW, ASK, FSK, PSK, BPSK y QPSK.

 

 

 

 

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El VFO

Documento leido en el Programa para Radioaficionados HK el domingo 9 de Noviembre 2014 en la frecuencia de 7.135

El VFO es una palabra muy común en los radios de comunicaciones y se refiere al oscilador que suministra la frecuencia en que trabaja el radio. Como los radioaficionados operamos en varias frecuencias entonces el oscilador debe poder cambiar la frecuencia y de ahí su nombre: Oscilador de Frecuencia  Variable OFV en Español o lo que es lo mismo Variable Frequency Oscilator VFO en Ingles.

Para entender cómo funciona un VFO y sus diferentes tipos, vamos a explicar algunos principios básicos.

En el campo de la electrónica tenemos dos componentes llamados condensadores y bobinas que tienen un comportamiento especial cuando ellos deben conducir corrientes variables o alternas. Su comportamiento es complementario, mientras un condensador disminuye su impedancia al aumentar la frecuencia, en una bobina su impedancia sube.

Si nosotros ponemos un condensador y una bobina en paralelo entonces la impedancia tiene un comportamiento curioso: La impedancia es baja en la mayoría de las frecuencias pero en una frecuencia específica el circuito presenta una impedancia alta. Esta frecuencia especial se llama la frecuencia de resonancia de este circuito y puede ser calculada:

Frecuencia de resonancia en Herz es igual a uno dividido por el producto de 2 pi raíz cuadrada del producto del valor del condensador en Faradios y el valor de la bobina en Henrios. PI es el mágico número de la geometría e igual a 3,14159.

Como se puede ver la frecuencia de resonancia depende de los valores del condensador y la bobina.

Ahora bien, si a un circuito de un condensador y una bobina en un instante dado le entregamos una energía (un voltaje), esta energía empezara a pasar del condensador a la bobina y luego de la bobina al condensador con una alternancia igual a la frecuencia de resonancia del circuito LC. El intercambio de energía se presenta como un flujo de electricidad variable entre el condensador y la bobina y viceversa.

En un circuito perfecto de condensador y bobina la oscilación se mantendría para siempre pero en la práctica la oscilación se amortigua hasta desaparecer debido a las pérdidas de las resistencias internas.

En este estado de cosas apareció el “tubo electrónico” el cual fue acoplado al circuito LC de tal manera que le entregue energía adicional al LC y en fase de tal manera que reponga las perdidas internas y mantenga la oscilación indefinidamente. Esto permitió a la radio disponer de una fuente de corriente alterna (oscilador) muy confiable y a una frecuencia que dependía de los valores de condensador y la bobina usada. Con el paso de los años el tubo electrónico fue sustituido por el transistor pero la teoría de funcionamiento es lo mismo.

Como la frecuencia de resonancia depende de los valores del condensador y la bobina entonces si por medios mecánicos podemos cambiar el valor de uno de estos componentes entonces tenemos lo que queríamos, un oscilador de frecuencia variable o VFO.

El más común de variar es el condensador ya que resulta relativamente fácil hacer que las áreas de las placas se pueda varia fácilmente en lo que llamamos un condensador variable.

Siempre que se encuentra una solución aparece algunos inconvenientes que se deben solucionar. El VFO es un generador de alta frecuencia y parte de la energía se convierte en ondas electromagnéticas que se propagan a su alrededor. Estas frecuencias pueden causar interferencias en equipos aledaños, por este motivo se acostumbra encerrar todos los circuitos del VFO en una caja metálica que le sirva de blindaje para la radiación electromagnéticas.

Pero encerrar los circuitos en una caja provoca una acumulación de calor que aumenta la temperatura de los componentes como los condensadores y bobinas. El aumento de calor causa dilataciones en que afectan el valor de los condensadores y bobinas y como consecuencia cambios en la frecuencia de resonancia.  El efecto es que tiempo después de poner a funcionar el oscilador este empieza a cambiar la frecuencia en que se había programado.

Para evitar los cambios de frecuencia ovacionados por el calor se pueden tomar varias medidas:

Evitar el uso de tubos que generan mucho calor y usar transistores que disipan mucho menos. Hay transistores de tipo FET que tiene un muy bajo índice de calor.

Mantener la bobina y el condensador en caja diferente al componente activo (tubo o transistor) y aislado térmicamente.

Mantener la caja del oscilador a una temperatura superior pero constante. Esto se logra con un componente calentador controlado por un termostato para mantener constante la temperatura dentro de la caja que contiene el oscilador. Este modelo de oscilador se conocen por su siglas en ingles de Oscilador de Temperatura Controlada: “Temperature Control Oscilator TCO”.

Los diodos semiconductores cuando se polarizan con polaridad inversa (sentido de no conducción) se comportan curiosamente como un condensador de algunos picofaradio pero lo interesante es que la capacidad varia con el voltaje inverso aplicado. La capacidad disminuye al aumentar la tensión inversa. Hay diodos que se fabrican expresamente para aprovechar la característica de capacidad variable con la tensión y se llaman VariCap.

Los VariCap abrieron nuevas oportunidades a los VFO.  Si el circuito de bobina y condensador usa un VariCap, la capacidad dependerá de la tensión aplicada al Varicap y como consecuencia el valor de la frecuencia de resonancia dependerá de la tensión aplicada al diodo. De esta forma tendremos un Oscilador Controlado por Voltaje o por sus siglas en inglés: Voltage Control Oscilador VCO.

Como en un VCO, la frecuencia se controla por un voltaje entonces aparece la posibilidad que otros circuitos electrónicos se encarguen de controlar la frecuencia, cosa que es muy complicado hacerla por control mecánico que era el caso de los condensadores variables.

Los nuevos circuitos trabajan mas o menos como sigue;

Se construye un oscilador típico LC con un VariCap como condensador y un circuito que suministra una marca de tiempo de buena exactitud por ejemplo de 1 segundo o 0.1 seg. Además se dispone de un microprocesador al cual el usuario le da en forma numérica el valor de la frecuencia que se desea.  Durante la operación el microcontrolador cuenta cuantos pulsos genera el oscilador en el periodo dada por la base de tiempo. Esto es una medida de la frecuencia real que está produciendo el oscilador.

El microcontrolador compara el valor de frecuencia leído con el valor de la frecuencia dada por el usuario, si hay diferencia el micro produce un voltaje que envía al oscilador para modificar el varicap y corregir la frecuencia.  El microcontrolador continua verificando que la frecuencia del oscilador no tenga diferencia por el valor de frecuencia suministrado y cuando observa alguna desviación modifica la tensión del varicap para corregir la frecuencia del oscilador.

Este tipo de VFO son conocidos como PLL que vienen del ingles Phase Locked Loop lo que traducen al español como  lazos de seguimiento de fase, bucles de enganche de fase. La traducion no es muy afortunada pero se refiere a que la Fase del Oscilador se mantiene “enganchada” (locked) por un lazo de realimentación.

La técnica de PLL es extensamente usada por los radios nuevos ya que cooperan muy bien con los microcontroladores que manejan todos los controles de los radios, la oscilación tiene alto grado de precisión y permite cambios de frecuencia muy rápido.

En los últimos años han aparecido en el mercado otro tipo de osciladores basados en circuitos integrados.  Consta de un oscilador con un cristal de cuarzo que garantiza una alta estabilidad funcionando en una frecuencia  del orden de 100 o 120 Mhz. La frecuencia generada por el cristal se encarga al circuito integrado. Por otro lado el usuaria le envía una información con valor que se necesita dividir la frecuencia del cristal para lograr la frecuencia deceada. El circuito integrado realiza multitud de cálculos matemáticos para calcular la forma de onda que tiene la frecuencia deseada.  Por ejemplo si el cristal es de 120 MHz pero deceamos una frecuencia de 7 Mhz entonces le decimos al circuito integrado que divida la frecuencia del cristal por 120/7 = 17,142.

En estos circuitos realmente se crea la frecuencia por medio de cálculo, por eso se dice que el circuito sintetiza la frecuencia por lo que los circuitos se llaman “Direct Digital Synthesizer” o DDS. Los circuitos son hechos completamente en estado sólido, no utilizan bobinas ni condensadores, son de pequeño tamaño y con una precisión asombrosa.