Receptores de Radio

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El receptor más sencillo de radio puede ser hecho de una bobina y un condensador conectados en paralelo, se le añade un rectificador para demodular la señal recibida y unos audífonos para poder escuchar al oído la señal procesada. El condensador y la bobina forman un circuito sintonizado que presenta una alta impedancia a una frecuencia determinada, llamada frecuencia de resonancia, u una impedancia baja para el resto de frecuencias.

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Con un radio sencillo de un diodo detectamos dos parámetros que influye en el diseño de radios de nuevo diseño:
Primero, la selectividad: La capacidad del radio para separar dos emisoras que se encuentran próximas.
Segundo, la sensibilidad, que es la capacidad del radio para recibir señales muy débiles provenientes de estaciones muy alejadas. La sensibilidad se mejora amplificando la señal recibida pero esto nos conduce a otro parámetro. Las señales recibidas en la antena son fuertes para estaciones cercanas o muy débiles para estaciones lejanas por lo cual el factor de amplificación debe ser variable. La capacidad del radio para manejar señales débiles y fuertes se conoce como “rango dinámico” generalmente se expresa en decibeles.
La búsqueda de soluciones para mejorar los valores de los tres parámetros (selectividad, sensibilidad y rango dinámico) ha sido el objetivo de los radios modernos.
La primera mejora que tuvo la radio fue la introducción de un tubo electrónico que amplificara la señal captada por la antena con lo cual se mejoró la sensibilidad pero la selectividad basada en un circuito LC continuaba con los problemas de selectividad.
Una mejora propuesta por el ingeniero americano Edwin Armstrong en 1912 consistió en desviar una parte de la señal amplificada y retornarla a la entrada, esto se conoce como un circuito regenerativo y mejora sensiblemente la capacidad de amplificación de un tubo pero existe un inconveniente que si el factor regenerado es grande el circuito se vuelve inestable y puede terminar como un oscilador o generador de frecuencia.

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La clave de un radio regenerativo consiste en mantener el porcentaje de regeneración justo en un punto antes que el circuito se vuelve inestable. Los radios regenerativos tienen un control para que el operador gradúe el porcentaje de realimentación y mantener el rendimiento en su límite. Esto se convierte en un inconveniente ya que el operador debe estar pendiente continuamente de esto. La ventajas son la sencillez de los circuito, el uso de un tubo o transistor solamente lo que redunda en el precio y que en sí mismo puede decodificar AM y CW y paradójicamente también decodifica SSB sin circuitos adicionales. Además la regeneración causa que el circuito LC se vuelva más selectivo porque mejora un factor que se llama Q conocido como el factor de Calidad (quality) de los circuitos LC.
En el año de 1916 el mismo ingeniero Armstrong que invento el radio generativo propuso una nueva configuración de los radios conocida como Superheterodinos que representa el tipo de radio que es más extensamente usado en el área de telecomunicaciones hasta el día de hoy.
Los radios Superheterodinos hacen uso de un principio conocido como Heterodino. La palabra fue conpuesta de dos raíces Griegas: Hetero que significa diferente (heterogenero, Heterosexual, etc) y la terminación Dino que significa fuerza (dinamómetro) pero en realidad se aplica a un fenómeno físico que ocurre cuando se mezclan dos señales de diferente frecuencia el resultado es que aparecen frecuencias que son la suma y la diferencia de las frecuencias mezcladas.
La idea del radio superheterodino es tomar la frecuencia que se quiere recibir y mezclarle una señal generada localmente de tal manera que la diferencia entre las dos frecuencias produzca una que es la diferencia (o la suma) de las dos. Esta nueva frecuencia la llamaremos frecuencia intermedia y se abrevia como FI.

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El oscilador local se construye variable, es decir que su frecuencia se puede cambiar por un medio externo y por eso se llama Oscilador Local Variable y su abreviación de la versión en inglés es VFO. Normalmente el VFO trabaja en una frecuencia superior a la frecuencia que se quiera recibir de tal manera que la frecuencia del VFO menos la frecuencia FI corresponde a la frecuencia que se desea recibir.
La ventaja es que la FI es una frecuencia fija y normalmente de una frecuencia inferior a la que deseamos recibir. Estos dos factores permiten optimizar el diseño de amplificador, funcionando a la FI, en cuanto a selectividad y sensibilidad. Como la frecuencia es fija entonces se pueden construir filtros más elaborados que el simple LC mejorando la selectividad y el amplificador de FI puede hacerse más estable aun con alto índice de amplificación.
Con la técnica de los superheterodinos se comenzó a fabricar radios para las emisoras comerciales de AM de la época que estaban en la frecuencia de 550 a 1600 kilohertzio, la frecuencia intermedia FI era generalmente 455 kilohertzios. El oscilador local VFO generaba frecuencias entre 1005 y 2055 kilohertzios. La frecuencia se cambiaba alterando la configuración de un condensador variable.
El receptor resulta sensible a las frecuencia resultante de restarle a la frecuencia del VFO menos la FI pero en teoría también es sensible a las frecuencias resultante de la suma del VFO mas la FI es decir 1460 a 2510 kilohertzios. Este rango de frecuencia es conocido como frecuencia (o señal) imagen. Si eventualmente existe una estación radiando en la frecuencia imagen esta seria recibida muy bien por el receptor causándonos interferencia, por este motivo los radios superheterodinos deben agregar circuitos que permitan eliminar las señales imagen. Normalmente esto se consigue agregando un circuito sintonizado LC entre la antena y la entrada del mezclador heterodino que permita seleccionar la frecuencia que se desea recibir y atenué fuertemente la frecuencia imagen. El circuito sintonizado LC de entrada se construye generalmente con una bobina fija y un condensador variable. Para conseguir que el circuito de entrada sintonice (casi) exactamente la frecuencia que se desea recibir, VFO menos FI, el eje de mando del condensador variable del VFO y del circuito de entrada se acopla en un eje común, llamándose a esto un condensador tándem.
Los radios de uso general usan generalmente una FI de 455 kilohertzios y logran la selectividad usando circuitos sintonizados de bobinas y condensadores pero los radios profesionales y los usados por los radioaficionados incluyen al menos un filtro mecanico hechos con cristales de cuarzo consiguen una resonancia muy pronunciada a la frecuencia de 455 kilohertzios incrementando muchísimo la selectividad.

El rechazo de la señal imagen de un receptor es una característica que distingue la calidad de los radios superheterodino. A medida que aumenta la frecuencia de recepción la separación proporcional de la señal a recibir y su imagen se vuelven muy cerca y más difícil de separar. Por ejemplo las transmisiones comerciales de FM se hacen en la frecuencia de 88 a 108 mega hertzios. Si usáramos una FI de 455 para la frecuencia de 108,000 mega hertzios la señal imagen seria 108,910 megahercios y un simple circuito LC sintonizado en 108,000 puede rechazar a 108,910. La solución en los radios comerciales es usar una frecuencia FI mas alta, típicamente se utiliza 10 mega hertzios de FI entonces para 108 mega hertzios la señal imagen será 128 mega hertzios que puede ser más fácilmente rechazada.
Los radios usados por los radioaficionados reciben en las frecuencias de 3.5 a 30 mega hertzios se escoge una FI generalmente entre 3 a 10 mega hertzios. El caso es que con una FI alta mejoramos el rechazo de la señal imagen pero a estas nuevas frecuencias es difícil lograr buena selectividad. La opción es tomar la FI del orden 3 a 10 mega hertzios y aplicarle el mismo principio de heterodinación y bajarla a 455 kilohertzios. Estos receptores se conocen como superheterodinos de doble conversión, es decir que tiene dos FI la primera en una frecuencia entre 3 y 10 mega hertzios y la segunda FI de 455 kilo hertzios.

radio-doble
En realidad podemos hacer radios de doble conversión en diferentes frecuencia, generalmente una alta, por ejemplo 9 mega hertzios para garantizar un buen rechazo de frecuencia imagen y la segunda en 455 kilohertzios para buena selectividad o primera FI de 1.500 kilohertzios y la segunda de 60 kilohertzios ya que en esta frecuencia tan baja se puede lograr selectividades excelentes. Pero también podemos tener tres conversiones y si se quiere cuatro o mas dependiendo de lo que queremos conseguir: mejorar la selectividad.
En los años 60 y 70 fue muy popular el diseño de radios basados en un VFO muy estable que cubría un rango de 500 kilohertzios lo que permitía cubrir aproximadamente el sector de una banda de radioaficionados. A la antena se le conectaba un circuito sintonizado LC que cubría la banda que se quería recibir y que se seleccionaba mediante un selector. El circuito de banda se conectaba a un primer paso de conversión donde se combinaba con la frecuencia generada por un oscilador controlado a cristal. Cada banda tenía su propio cristal. El resultado de esta primera heterodinación era bajar todas las frecuencia de la banda a una frecuencia mas baja alrededor de 6 mega hertzios. Por ejemplo para la banda de 40 metros se usaba un cristal de 13 mega hertzios, entonces la frecuencia de 7 mega hertzios se trasladaba a 13-7 = 6 mega hertzios y la de 7,5 se bajaba a 13-7.5 = 5.5 (observe que el orden de las frecuencias queda invertido).

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El resultado es una primera FI que varía entre 5.5 y 6.0 mega hertzios. Estas frecuencias se pasan a segundo mezclador con la frecuencia del VFO que suministra un rango entre 8.5 y 9.0 mega hertzios para lograr una FI fija de 3 mega hertzios. Generalmente la segunda FI de 3 mega hertzios se sometía a una tercera conversión de 455 kilohertzios usando un oscilador local a la frecuencia fija de 3,455 mega hertzios. El motivo de usar estas dos frecuencias es que en las FI de 3 mega hertzios y 455 kilohertzios se puede disponer de excelentes filtros de cristal, si se cambia ligeramente la frecuencia de 3,455 se puede lograr un ligero desplazamiento del efecto del filtro alto de 3 megas con relación al bajo de 455 kilohertzios permitiendo controlar el ancho de banda de recepción por superposición de filtros. Esto se conoce en los radios como FI shift.
Esta organización de FI y VFO fue muy útil con la introducción de la banda lateral única (SSB). La modulación y creación de la señal de SSB se hacía a la frecuencia de 455 kilohertzios y esta se subía en frecuencia usando los mismos cristales y el mismo VFO usado en recepción hasta la banda deseada. El resultado es que la señal transmitida se encontraba exactamente en la señal que se está recibiendo lográndose tener los transceptores que popularizaron a los radioaficionados.
En los años ochenta y siguientes la arquitectura de los radios y transceptores cambio impulsado por la existencia de circuitos electrónicos más complejos. Los VFO empezaron a ser construido usando el concepto de PLL (phase loop lock) donde se logra generar una frecuencia muy exacta suministrando el dato de la frecuencia deseada. La frecuencia no es variada por un condensador sino que se envía el dato de la frecuencia y el PLL la genera contando los ciclos que produce. Un solo VFO usando PLL puede generar frecuencia en un rango de 30 o más mega hertzios.
Con estos VFO la primera FI se movió al rango del VHF típicamente 70 mega hertzios con lo que se logra una excelente rechazo de la señal imagen. El VFO trabaja típicamente entre 70.100 y 100 mega hertzios lo que permite lograr un receptor de banda corrida entre 100 kilohertzios y 30 mega hertzios en forma corrida moviendo la señal recibida a la FI de 70 megas.

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La FI de 70 megas típicamente se heterodino dos o tres veces más para bajarla a 10, 3 megas y/o 455 kilohertzios dependiendo del diseño del fabricante.
El frente del radio, es decir el circuito sintonizado que esta entre la antena y el primer mezclador difícilmente puede cubrir todo el rango desde 100 kilohertzios a 30 mega hertzios por lo que este se particiona en varios circuitos que cubren un rango de frecuencia.
Todo el radio paso a ser controlado por un microcomputador que se encarga de recibir la información del operador en forma digital y programa al PLL del VFO para la frecuencia deceada. Conociendo la frecuencia de operación, el microcontrolador activa el circuito de entrada para la banda correspondiente etc.
Todo opera automáticamente pero en el fondo son radios que funcionan bajo el principio heterodino inventado por el ingeniero Armstrong 100 años atrás.
En el siglo 21 los radios han sido actualizado por un nuevo componente, los DSP y los analizadores de espectro, pero esto será tema de otra charla próximamente.

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Un comentario Agrega el tuyo

  1. Oscar Robledo dice:

    Eugenio, gracias por esta explicación.
    Cuál es la diferencia de HETEREODINO y SuperHereodino?
    Encontré esta explicación de la suma y diferencias de frecuencias resultantes de las cuales escogemos una, la Frecuencia Intermedia (FI)
    Heterodino es útil para el desplazamiento de frecuencia en señales de un nuevo rango de frecuencia, y también está involucrado en los procesos de modulación y demodulación. Las dos frecuencias se combinan en un dispositivo de procesamiento de señales no lineal tal como un tubo de vacío, el transistor o diodo, generalmente llamado un mezclador. En la aplicación más común, dos señales a las frecuencias f1 y f2 se mezclan, creando dos nuevas señales, uno a la suma f1 f2 de las dos frecuencias, y el otro a la diferencia f1 – f2. Estas nuevas frecuencias se llaman heterodinas. Típicamente se desea sólo una de las nuevas frecuencias, y la otra señal se filtra fuera de la salida del mezclador. Heterodinos están estrechamente relacionados con el fenómeno de los “beats” de la música.

    y el significado de PLL es en este orden.
    bucles de enganche de fase, o PLL (del inglés phase-locked loop)
    ’73
    HK3KOP

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