El diseño del receptor de radio incluye el diseño electrónico de diferentes componentes de un receptor de radio que procesa la señal de radiofrecuencia de una antena para producir información utilizable como el audio. La complejidad de un receptor moderno y la posible gama de circuitos y métodos empleados se tratan de manera más general en la ingeniería electrónica y de las comunicaciones . El término receptor de radio se entiende en este artículo como cualquier dispositivo que esté destinado a recibir una señal de radio con el fin de generar información útil a partir de la señal, más notablemente una recreación de la denominada banda base. señal (como audio) que moduló la señal de radio en el momento de la transmisión en un sistema de comunicaciones o transmisión.
Consideraciones fundamentales
El diseño de un receptor de radio debe considerar varios criterios fundamentales para producir un resultado práctico. Los principales criterios son ganancia , selectividad , sensibilidad y estabilidad. El receptor debe contener un detector para recuperar la información inicialmente impresa en la señal de la portadora de radio , un proceso llamado modulación . [1]
Ganancia es necesario porque la señal interceptada por una antena tendrá un nivel de potencia muy baja, del orden de picovatios o femtowatts . Para producir una señal audible en un par de auriculares se requiere que esta señal se amplifique un billón de veces o más. Las magnitudes de la ganancia requerida son tan grandes que se prefiere la unidad logarítmica de decibelios : una ganancia de 1 billón de veces la potencia es de 120 decibeles, que es un valor alcanzado por muchos receptores comunes. La ganancia es proporcionada por una o más etapas amplificadoras en un diseño de receptor; parte de la ganancia se aplica a la parte de radiofrecuencia del sistema y el resto a las frecuencias utilizadas por la información recuperada (señales de audio, video o datos).
La selectividad es la capacidad de "sintonizar" una sola estación de las muchas que pueden estar transmitiendo en un momento dado. Un filtro de paso de banda ajustable es una etapa típica de un receptor. Un receptor puede incluir varias etapas de filtros de paso de banda para proporcionar suficiente selectividad. Además, el diseño del receptor debe proporcionar inmunidad contra señales espúreas que pueden generarse dentro del receptor y que podrían interferir con la señal deseada. A los transmisores de radiodifusión en cualquier área dada se les asignan frecuencias para que los receptores puedan seleccionar correctamente la transmisión deseada; este es un factor clave que limita el número de estaciones transmisoras que pueden operar en un área determinada.
La sensibilidad es la capacidad de recuperar la señal del ruido de fondo. El ruido se genera en la ruta entre el transmisor y el receptor, pero también se genera significativamente en los propios circuitos del receptor. Inherentemente, cualquier circuito por encima del cero absoluto genera algún ruido aleatorio que se suma a las señales deseadas. En algunos casos, el ruido atmosférico es mucho mayor que el producido en los propios circuitos del receptor, pero en algunos diseños se aplican medidas como el enfriamiento criogénico en algunas etapas del receptor, para evitar que las señales se vean oscurecidas por el ruido térmico. Un muy buen diseño de receptor puede tener un factor de ruido de solo unas pocas veces el mínimo teórico para la temperatura de funcionamiento y el ancho de banda de señal deseado. El objetivo es producir una relación señal / ruido de la señal recuperada suficiente para el propósito previsto. Esta relación también se expresa a menudo en decibelios. Una relación señal-ruido de 10 dB (señal 10 veces más potente que el ruido) puede ser utilizada para comunicaciones de voz por operadores experimentados, pero un receptor diseñado para reproducción de música de alta fidelidad puede requerir 50 dB o más de señal-ruido. proporción.
Se requiere estabilidad en al menos dos sentidos. Estabilidad de frecuencia ; el receptor debe permanecer "sintonizado" con la señal de radio entrante y no debe "desviarse" con el tiempo o la temperatura. Además, la gran magnitud de ganancia generada debe controlarse cuidadosamente para que no se produzcan emisiones no esenciales dentro del receptor. Estos conducirían a la distorsión de la información recuperada o, en el peor de los casos, podrían irradiar señales que interfieran con otros receptores.
La etapa del detector recupera la información de la señal de radiofrecuencia y produce el sonido, video o datos que se imprimieron inicialmente en la onda portadora. Los detectores pueden ser tan simples como un detector de "envolvente" para la modulación de amplitud , o pueden ser circuitos más complejos para técnicas desarrolladas más recientemente, como el espectro ensanchado por salto de frecuencia .
Si bien no es fundamental para un receptor, el control automático de ganancia es una gran conveniencia para el usuario, ya que compensa automáticamente los cambios en los niveles de la señal recibida o los diferentes niveles producidos por diferentes transmisores.
Se han desarrollado muchos enfoques diferentes y "diagramas de bloques" fundamentales del receptor para abordar estos diversos factores, a veces contradictorios. Una vez que se han logrado estos objetivos técnicos, el resto del proceso de diseño sigue siendo complicado por consideraciones económicas, derechos de patente e incluso moda.
Radio de cristal
Una radio de cristal no utiliza partes activas: se alimenta solo de la propia señal de radio, cuya potencia detectada alimenta los auriculares para que sea audible. Para lograr incluso una sensibilidad mínima, una radio de cristal se limita a bajas frecuencias utilizando una antena grande (generalmente un cable largo). Se basa en la detección mediante algún tipo de diodo semiconductor , como el diodo de bigotes de gato original descubierto mucho antes del desarrollo de los semiconductores modernos.
Un receptor de cristal es muy simple y puede ser fácil de hacer o incluso improvisar, por ejemplo, la radio de trinchera . Sin embargo, la radio de cristal necesita una señal de RF fuerte y una antena larga para funcionar. Muestra una selectividad pobre ya que solo tiene un circuito sintonizado.
Frecuencia de radio sintonizada
El receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF) consiste en un amplificador de radiofrecuencia que tiene una o más etapas sintonizadas todas a la frecuencia de recepción deseada. A esto le sigue un detector, normalmente un detector de envolvente que utiliza un diodo, seguido de una amplificación de audio. Este fue desarrollado después de la invención del tubo de vacío triodo , mejorando en gran medida la recepción de señales de radio utilizando amplificación electrónica que antes no estaba disponible. La selectividad muy mejorada del receptor superheterodino superó al diseño TRF en casi todas las aplicaciones, sin embargo, el diseño TRF todavía se usaba en la década de 1960 entre las "radios de transistores" más baratas de esa época.
Reflejo
El receptor réflex fue un diseño de principios del siglo XX que consiste en un receptor TRF de una sola etapa pero que usaba el mismo tubo amplificador para amplificar también la señal de audio después de haber sido detectada. Esto sucedió en una era en la que cada tubo suponía un coste importante (y un consumidor de energía eléctrica), por lo que se consideraba preferible un aumento sustancial en el número de elementos pasivos a incluir un tubo adicional. El diseño tiende a ser bastante inestable y obsoleto.
Regenerador
El receptor regenerativo también tuvo su apogeo en el momento en que agregar un elemento activo (tubo de vacío) se consideraba costoso. Para aumentar la ganancia del receptor, se utilizó retroalimentación positiva en su etapa de amplificación de RF única; esto también aumentó la selectividad del receptor mucho más allá de lo que se esperaría de un solo circuito sintonizado. La cantidad de retroalimentación fue bastante crítica para determinar la ganancia resultante y tuvo que ser ajustada cuidadosamente por el operador de radio. El aumento de la retroalimentación más allá de un punto hizo que el escenario oscilara a la frecuencia a la que estaba sintonizado.
La autooscilación redujo la calidad de su recepción de una señal de radio AM (voz) pero la hizo útil como receptor de CW (código Morse). La señal de tiempo entre la oscilación y la señal de radio produciría un sonido de "pitido". La oscilación del receptor regenerativo también podría ser una fuente de interferencia local. Un diseño mejorado conocido como receptor superregenerativo mejoró el rendimiento al permitir que se acumulara una oscilación que luego se "apagó", repitiéndose ese ciclo a una velocidad rápida (ultrasónica). A partir del esquema adjunto de un receptor regenerativo práctico, se puede apreciar su simplicidad en relación con un receptor TRF de múltiples etapas, al tiempo que se puede lograr el mismo nivel de amplificación mediante el uso de retroalimentación positiva.
Conversión directa
En el receptor de conversión directa , las señales de la antena solo se sintonizan mediante un solo circuito sintonizado antes de ingresar a un mezclador donde se mezclan con una señal de un oscilador local que se sintoniza con la frecuencia de onda portadora de la señal transmitida. Esto es diferente al diseño superheterodino, donde el oscilador local está en una frecuencia de compensación. La salida de este mezclador es, por tanto, la frecuencia de audio, que pasa a través de un filtro de paso bajo a un amplificador de audio que puede activar un altavoz.
Para recibir CW ( código morse ), el oscilador local se sintoniza a una frecuencia ligeramente diferente a la del transmisor para convertir la señal recibida en un "bip" audible.
- Ventajas
- Más simple que un receptor superheterodino
- Desventajas
- Rechazo deficiente de señales fuertes en frecuencias adyacentes en comparación con un receptor superheterodino.
- Aumento de ruido o interferencia al recibir una señal SSB ya que no hay selectividad contra la banda lateral no deseada.
Superheterodino
Prácticamente todos los receptores modernos son de diseño superheterodino. La señal de RF de la antena puede tener una etapa de amplificación para mejorar la figura de ruido del receptor , aunque en las frecuencias más bajas esto se suele omitir. La señal de RF entra en un mezclador , junto con la salida del oscilador local , para producir una llamada señal de frecuencia intermedia (IF). Una de las primeras optimizaciones del superheterodino fue combinar el oscilador local y el mezclador en una sola etapa llamada "convertidor". El oscilador local se sintoniza a una frecuencia algo más alta (o más baja) que la frecuencia de recepción deseada, de modo que la señal de FI estará en una frecuencia particular donde se amplifica aún más en un amplificador multietapa de banda estrecha. La sintonización del receptor implica cambiar la frecuencia del oscilador local, con un procesamiento adicional de la señal (especialmente en relación con el aumento del receptor) realizado convenientemente en una sola frecuencia (la frecuencia de FI), por lo que no requiere más sintonización para diferentes estaciones.
Aquí mostramos diagramas de bloques para receptores superheterodinos típicos para transmisión AM y FM respectivamente. Este diseño de FM en particular utiliza un detector de bucle de bloqueo de fase moderno , a diferencia del discriminador de frecuencia o detector de relación utilizado en los receptores de FM anteriores.
Para los receptores AM superheterodinos de conversión simple diseñados para onda media (transmisión AM), la FI es comúnmente de 455 kHz. La mayoría de los receptores superheterodinos diseñados para radiodifusión FM (88-108 MHz) utilizan una FI de 10,7 MHz. Los receptores de televisión suelen utilizar frecuencias intermedias de unos 40 MHz. Algunos receptores multibanda modernos en realidad convierten primero las bandas de frecuencia más baja en una frecuencia mucho más alta (VHF), después de lo cual un segundo mezclador con un oscilador local sintonizable y una segunda etapa de FI procesan la señal como se indicó anteriormente.
Radio definida por software
La radio definida por software (SDR) es un sistema de comunicación por radio en el que los componentes que se han implementado tradicionalmente en el hardware (por ejemplo , mezcladores , filtros , amplificadores , moduladores / demoduladores , detectores , etc.) se implementan en su lugar mediante software en una computadora personal. o sistema integrado . [2] Si bien el concepto de SDR no es nuevo, las capacidades en rápida evolución de la electrónica digital hacen prácticos muchos procesos que solían ser solo teóricamente posibles.
Ver también
- Historia de la radio
- Supresor de ruido
Otras lecturas
- Libros
- Manual de radiocomunicaciones (RSGB), ISBN 0-900612-58-4
- Patentes
- Patente de EE.UU. 1.748.435 Aparato de radio de cristal. H. Adams
notas y referencias
- ^ Wes Hayward, Doug De Maw (ed), Diseño de estado sólido para radioaficionados , Capítulo 5 "Conceptos básicos del diseño del receptor", Liga de retransmisiones de radio estadounidense 1977, sin ISBN
- ^ Radio definida por software: arquitecturas, sistemas y funciones (Markus Dillinger, Kambiz Madani, Nancy Alonistioti) Página xxxiii (Wiley & Sons, 2003, ISBN 0-470-85164-3 )