En las comunicaciones por radio , un receptor de radio , también conocido como receptor , inalámbrico o simplemente radio , es un dispositivo electrónico que recibe ondas de radio y convierte la información que transportan en una forma utilizable. Se utiliza con antena . La antena intercepta ondas de radio (ondas electromagnéticas ) y las convierte en pequeñas corrientes alternas que se aplican al receptor, y el receptor extrae la información deseada. El receptor utiliza filtros electrónicos para separar la radiofrecuencia deseada.señal de todas las demás señales captadas por la antena, un amplificador electrónico para aumentar la potencia de la señal para su posterior procesamiento, y finalmente recupera la información deseada mediante demodulación .
Los receptores de radio son componentes esenciales de todos los sistemas que utilizan radio . La información producida por el receptor puede estar en forma de sonido, imágenes en movimiento ( televisión ) o datos digitales . [1] Un receptor de radio puede ser una pieza separada de equipo electrónico o un circuito electrónico dentro de otro dispositivo. El tipo de receptor de radio más familiar para la mayoría de la gente es un receptor de radio de transmisión, que reproduce el sonido transmitido por las estaciones de transmisión de radio , históricamente la primera aplicación de radio del mercado masivo. Un receptor de transmisión se denomina comúnmente "radio". Sin embargo, los receptores de radio se utilizan mucho en otras áreas de la tecnología moderna, en televisores , teléfonos móviles , módems inalámbricos y otros componentes de comunicaciones, control remoto y sistemas de redes inalámbricas.
Receptores de radiodifusión
La forma más familiar de receptor de radio es un receptor de transmisión, a menudo llamado simplemente radio , que recibe programas de audio destinados a la recepción pública transmitidos por estaciones de radio locales . El sonido se reproduce mediante un altavoz en la radio o un auricular que se conecta a un conector de la radio. La radio requiere energía eléctrica , proporcionada por baterías dentro de la radio o un cable de alimentación que se conecta a un tomacorriente . Todas las radios tienen un control de volumen para ajustar el volumen del audio y algún tipo de control de "sintonización" para seleccionar la estación de radio que se va a recibir.
Tipos de modulación
La modulación es el proceso de agregar información a una onda portadora de radio .
AM y FM
En los sistemas de radiodifusión analógica se utilizan dos tipos de modulación; AM y FM.
En la modulación de amplitud (AM), la intensidad de la señal de radio varía según la señal de audio. La radiodifusión AM está permitida en las bandas de radiodifusión AM que se encuentran entre 148 y 283 kHz en el rango de onda larga , y entre 526 y 1706 kHz en el rango de frecuencia media (MF) del espectro de radio . La radiodifusión AM también está permitida en bandas de onda corta , entre aproximadamente 2,3 y 26 MHz, que se utilizan para la radiodifusión internacional de larga distancia.
En la modulación de frecuencia (FM), la frecuencia de la señal de radio varía ligeramente por la señal de audio. La radiodifusión de FM está permitida en las bandas de radiodifusión de FM entre aproximadamente 65 y 108 MHz en el rango de muy alta frecuencia (VHF). Los rangos de frecuencia exactos varían algo en diferentes países.
Las estaciones de radio FM estéreo transmiten en sonido estereofónico (estéreo), transmitiendo dos canales de sonido que representan los micrófonos izquierdo y derecho . Un receptor estéreo contiene los circuitos adicionales y rutas de señal paralelas para reproducir los dos canales separados. Por el contrario, un receptor monoaural solo recibe un único canal de audio que es una combinación (suma) de los canales izquierdo y derecho. [2] [3] [4] Si bien existen transmisores y receptores AM estéreo , no han alcanzado la popularidad del estéreo FM.
La mayoría de las radios modernas pueden recibir estaciones de radio AM y FM, y tienen un interruptor para seleccionar qué banda recibir; estos se llaman radios AM / FM .
Difusión de audio digital (DAB)
La radiodifusión de audio digital (DAB) es una tecnología de radio avanzada que debutó en algunos países en 1998 y que transmite audio desde estaciones de radio terrestres como una señal digital en lugar de una señal analógica como lo hacen AM y FM. Sus ventajas son que DAB tiene el potencial de proporcionar un sonido de mayor calidad que FM (aunque muchas estaciones no eligen transmitir con una calidad tan alta), tiene una mayor inmunidad al ruido y las interferencias de radio , hace un mejor uso del escaso ancho de banda del espectro de radio y proporciona funciones avanzadas para el usuario, como guía electrónica de programas , comentarios deportivos y presentaciones de diapositivas de imágenes. Su desventaja es que es incompatible con radios anteriores por lo que se debe adquirir un nuevo receptor DAB. A partir de 2017, 38 países ofrecen DAB, con 2100 estaciones que prestan servicios en áreas de escucha con 420 millones de personas. La mayoría de los países planean un cambio eventual de FM a DAB. Estados Unidos y Canadá han optado por no implementar DAB.
Las estaciones de radio DAB funcionan de manera diferente a las estaciones AM o FM: una sola estación DAB transmite una amplia señal de ancho de banda de 1.500 kHz que transmite de 9 a 12 canales entre los que el oyente puede elegir. Las emisoras pueden transmitir un canal en un rango de velocidades de bits diferentes , por lo que diferentes canales pueden tener una calidad de audio diferente. En diferentes países, las estaciones DAB transmiten en la banda III (174–240 MHz) o en la banda L (1.452–1.492 GHz).
Recepción
La intensidad de la señal de las ondas de radio disminuye cuanto más se alejan del transmisor, por lo que una estación de radio solo se puede recibir dentro de un rango limitado de su transmisor. El alcance depende de la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor, el ruido atmosférico e interno , así como cualquier obstrucción geográfica, como colinas entre el transmisor y el receptor. Las ondas de radio de la banda de transmisión AM viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra, por lo que las estaciones de radio AM se pueden recibir de manera confiable a cientos de millas de distancia. Debido a su frecuencia más alta, las señales de radio de la banda FM no pueden viajar mucho más allá del horizonte visual; limitando la distancia de recepción a aproximadamente 40 millas (64 km), y puede ser bloqueada por colinas entre el transmisor y el receptor. Sin embargo, la radio FM es menos susceptible a la interferencia del ruido de radio ( RFI , sferics , estática) y tiene una mayor fidelidad ; mejor respuesta de frecuencia y menos distorsión de audio que AM. En muchos países, la música seria solo se transmite por estaciones de FM, y las estaciones de AM se especializan en noticias de radio , programas de radio y deportes. Como FM, las señales DAB viajan por la línea de visión, por lo que las distancias de recepción están limitadas por el horizonte visual a aproximadamente 30 a 40 millas (48 a 64 km).
Tipos de receptor de radiodifusión
Las radios se fabrican en una variedad de estilos y funciones:
- Radio de mesa : una radio autónoma con altavoz diseñada para sentarse sobre una mesa.
- Radio reloj - Una cabecera de radio tabla que también incluye un reloj despertador . El despertador se puede configurar para encender la radio por la mañana en lugar de una alarma, para despertar al propietario.
- Sintonizador : unreceptor de radio AM / FM de alta fidelidad en un sistema de audio doméstico por componentes. No tiene altavoces, pero emite una señal de audio que se alimenta al sistema y se reproduce a través de los altavoces del sistema.
- Radio portátil : una radio que funciona con baterías que se puede llevar con una persona. Las radios ahora se integran a menudo con otras fuentes de audio en reproductores de CD y reproductores multimedia portátiles .
- Boom box : unsistema de sonido estéreoportátil de alta fidelidad que funciona con bateríasen forma de caja con asa, que se hizo popular a mediados de la década de 1970.
- Radio de transistores : un término más antiguo para un receptor de radio de transmisión portátil de bolsillo. Hecho posible por la invención del transistor y desarrollado en la década de 1950, las radios de transistores fueron muy populares durante la década de 1960 y principios de la de 1970, y cambiaron los hábitos de escucha del público.
- Car radio : una radio AM / FM integrada en el tablero de un vehículo, que se usa para entretenerse mientras se conduce. Prácticamente todos los automóviles y camiones modernos están equipados con radios, que generalmente también incluyen un reproductor de CD .
- Receptor de radio satelital: receptor de radio por suscripción que recibe programación de audio de un satélite de transmisión directa . El suscriptor debe pagar una tarifa mensual. En su mayoría están diseñados como radios de automóvil.
- Receptor de onda corta : se trata de una emisora de radio que también recibe las bandas de onda corta. Se utiliza para escuchar en onda corta .
- Los receptores AV son un componente común en unsistema de cine en casa o de alta fidelidad ; Además de recibir programación de radio, el receptor también contendrá funciones de conmutación y amplificación para interconectar y controlar los otros componentes del sistema.
Otras aplicaciones
Los receptores de radio son componentes esenciales de todos los sistemas que utilizan radio . Además de los receptores de radiodifusión descritos anteriormente, los receptores de radio se utilizan en una gran variedad de sistemas electrónicos en la tecnología moderna. Pueden ser un equipo separado (una radio ) o un subsistema incorporado a otros dispositivos electrónicos. Un transceptor es un transmisor y un receptor combinados en una sola unidad. A continuación se muestra una lista de algunos de los tipos más comunes, organizados por función.
- Recepción de transmisión de televisión : los televisores reciben una señal de video que representa una imagen en movimiento, compuesta por una secuencia de imágenes fijas y una señal de audio sincronizada que representa el sonido asociado. El canal de televisión recibido por un televisor ocupa un ancho de banda más amplio que una señal de audio, de 600 kHz a 6 MHz.
- Receptor de televisión terrestre , transmisión de televisión o simplemente televisión (TV): los televisores contienen un receptor integral ( sintonizador de TV ) que recibe la transmisión de televisión gratuitade las estaciones de televisión locales en los canales de televisión en lasbandas VHF y UHF .
- Receptor de televisión por satélite : un decodificador que recibe televisión por satélite de transmisión directa por suscripcióny la muestra en una televisión normal. Una antena parabólica en la azotearecibe muchos canales, todos modulados en unaseñal de enlace descendente de microondas de banda K u desde un satélite geoestacionario de transmisión directa a 22,000 millas (35,000 km) sobre la Tierra, y la señal se convierte a una frecuencia intermedia más baja y se transporta a la caja a través de un cable coaxial. El suscriptor paga una tarifa mensual.
- Comunicaciones de voz bidireccionales : una radio bidireccional es un transceptor de audio , un receptor y un transmisor en el mismo dispositivo, que se utiliza para la comunicación de voz bidireccional de persona a persona. El enlace de radio puede ser semidúplex , utilizando un solo canal de radio en el que solo una radio puede transmitir a la vez. por lo que los diferentes usuarios se turnan para hablar, presionando un botón de pulsar para hablar en su radio que enciende el transmisor. O el enlace de radio puede ser full duplex , un enlace bidireccional que usa dos canales de radio para que ambas personas puedan hablar al mismo tiempo, como en un teléfono celular.
- Teléfono celular : un teléfono portátilque está conectado a la red telefónica mediante señales de radio que se intercambian con una antena local llamada torre celular . Los teléfonos móviles tienen receptores digitales altamente automatizados que funcionan en la banda de microondas y UHF que reciben el lado entrante delcanal de voz dúplex , así como un canal de control que maneja la marcación de llamadas y el cambio de teléfono entre torres de telefonía móvil. Por lo general, también tienen varios otros receptores que los conectan con otras redes: un módem WiFi , unmódem bluetooth y un receptor GPS . La torre celular tiene sofisticados receptores multicanal que reciben las señales de muchos teléfonos celulares simultáneamente.
- Teléfono inalámbrico : un teléfono fijo en el que el auricular es portátil y se comunica con el resto del teléfono mediante unenlace de radio dúplex de corto alcance, en lugar de estar conectado por un cable. Tanto el teléfono como la estación base tienen receptores de radio que operan en labanda UHF que reciben elenlace de radio dúplex bidireccional de corto alcance.
- Radio de banda ciudadana: radio bidireccional semidúplex que funciona en la banda de 27 MHz y que se puede utilizar sin una licencia. A menudo se instalan en vehículos y son utilizados por camioneros y servicios de entrega.
- Walkie-talkie : radio bidireccional semidúplex de corto alcance de mano.
- Escáner : un receptor que monitorea continuamente múltiples frecuencias o canales de radio al recorrer los canales repetidamente, escuchando brevemente cada canal para una transmisión. Cuando se encuentra un transmisor, el receptor se detiene en ese canal. Los escáneres se utilizan para monitorear las frecuencias de emergencia de la policía, los bomberos y las ambulancias, así como otras frecuencias de radio bidireccionales, como la banda ciudadana . Las capacidades de escaneo también se han convertido en una característica estándar en los receptores de comunicaciones, walkie-talkies y otras radios de dos vías.
- Receptor de comunicaciones o receptor de onda corta : un receptor de audio de uso general que cubre lasbandas LF , MF , onda corta ( HF ) y VHF . Se utiliza principalmente con un transmisor de onda corta independiente para la comunicación de voz bidireccional en estaciones de comunicación, estaciones de radioaficionados y para escuchar en onda corta .
- Comunicaciones de voz unidireccionales (símplex)
- Receptor de micrófono inalámbrico : reciben la señal de corto alcance de los micrófonos inalámbricos utilizados en el escenario por artistas musicales, oradores públicos y personalidades de la televisión.
- Monitor para bebés : este es un aparato junto a la cuna para padres de bebés que transmite los sonidos del bebé a un receptor que llevan los padres, para que puedan monitorear al bebé mientras están en otras partes de la casa. Muchos monitores para bebés ahora tienen cámaras de video para mostrar una imagen del bebé.
- Transmisión de datos
- Módem inalámbrico (WiFi) : un transmisor y receptor de datos digitales de corto alcance automatizado en un dispositivo inalámbrico portátil que se comunica por microondas con un punto de acceso cercano , un enrutador o puerta de enlace, conectando el dispositivo portátil con una red informática local ( WLAN ) para intercambiar datos con otros dispositivos.
- Módem Bluetooth : un transceptor de datos de 2,4-2,83 GHz de muy corto alcance (hasta 10 m) en un dispositivo inalámbrico portátil que se utiliza como sustituto de una conexión por cable, principalmente para intercambiar archivos entre dispositivos portátiles y conectar teléfonos móviles y reproductores de música con conexiones inalámbricas. auriculares.
- Relé de microondas : enlace de transmisión de datos punto a punto de gran ancho de banda a larga distancia que consta de una antena parabólica y un transmisor que transmite un haz de microondas a otra antena parabólica y receptor. Dado que las antenas deben estar en línea de visión , las distancias están limitadas por el horizonte visual a 30-40 millas. Los enlaces de microondas se utilizan para datos comerciales privados, redes informáticas de área amplia (WAN) y las compañías telefónicas para transmitir llamadas telefónicas a distancia y señales de televisión entre ciudades.
- Las comunicaciones por satélite - Los satélites de comunicación se utilizan para la transmisión de datos entre puntos muy distantes de la Tierra. Otros satélites se utilizan para búsqueda y salvamento, teledetección , informes meteorológicos e investigación científica. La comunicación por radio con satélites y naves espaciales puede involucrar trayectorias muy largas, desde 35.786 km (22.236 mi) parasatélites geosincrónicos hasta miles de millones de kilómetros para naves espaciales interplanetarias . Esto y la potencia limitada disponible para un transmisor de nave espacial significan que deben usarse receptores muy sensibles.
- Transpondedor de satélite : un receptor y transmisor en un satélite de comunicaciones que recibe múltiples canales de datos que transportan llamadas telefónicas de larga distancia, señales de televisión. o tráfico de Internet en unaseñal de enlace ascendente de microondasdesde una estación terrestre de satélite y retransmite los datos a otra estación terrestre en unafrecuencia de enlace descendente diferente. En un satélite de transmisión directa, el transpondedor transmite una señal más fuerte directamente a los receptores de radio o televisión por satélite en los hogares de los consumidores.
- Estaciones terrestres por satélite receptor - comunicación por satélite estaciones terrestres reciben datos de los satélites de comunicaciones en órbita alrededor de la Tierra. Las estaciones terrestres del espacio profundo, como las de la Red de Espacio Profundo de la NASA, reciben las señales débiles de naves espaciales científicas distantes enmisiones de exploración interplanetaria . Estos tienen grandes antenas parabólicas de alrededor de 85 pies (25 m) de diámetro y receptores de radio extremadamente sensibles similares a los radiotelescopios . El extremo frontal de RF del receptor a menudo seenfría criogénicamente a -195,79 ° C (-320 ° F) mediante nitrógeno líquido para reducir el ruido de radio en el circuito.
- Control remoto - control remoto receptores reciben comandos digitales que controlan un dispositivo, que puede ser tan complejo como un vehículo espacial o vehículo aéreo no tripulado , o tan simple como un abridor de puerta de garaje . Los sistemas de control remoto a menudo también incorporan uncanal de telemetría para transmitir datos sobre el estado del dispositivo controlado al controlador. El modelo controlado por radio y otros modelos incluyen receptores multicanal en modelos de automóviles, barcos, aviones y helicópteros. En lossistemas de entrada sin llave se utiliza un sistema de radio de corto alcance.
- Radiolocalización : este es el uso de ondas de radio para determinar la ubicación o dirección de un objeto.
- Radar : un dispositivo que transmite un haz estrecho de microondas que se refleja de un objetivo a un receptor, utilizado para localizar objetos como aviones, naves espaciales, misiles, barcos o vehículos terrestres. Las ondas reflejadas del objetivo son recibidas por un receptor normalmente conectado a la misma antena, indicando la dirección hacia el objetivo. Ampliamente utilizado en la aviación, el transporte marítimo, la navegación, la previsión meteorológica, los vuelos espaciales, los sistemas para evitar colisiones de vehículosy el ejército.
- Receptor del sistema global de navegación por satélite (GNSS), como un receptor GPS utilizado con el Sistema de posicionamiento global de EE. UU., El dispositivo de navegación electrónico más utilizado. Receptor digital automatizado que recibe señales de datos simultáneas de varios satélites en órbita terrestre baja. Utilizando señales de tiempo extremadamente precisas, calcula la distancia a los satélites y, a partir de esto, la ubicación del receptor en la Tierra. Los receptores GNSS se venden como dispositivos portátiles y también se incorporan en teléfonos móviles, vehículos y armas, incluso proyectiles de artillería .
- Receptor VOR : instrumento de navegación en una aeronave que utiliza la señal VHF delas balizas de navegación VOR entre 108 y 117,95 MHz para determinar la dirección a la baliza con mucha precisión, para la navegación aérea.
- Receptor de rastreo de animales salvajes : un receptor con una antena direccional que se utiliza para rastrear animales salvajes que han sido etiquetados con un pequeño transmisor VHF, confines de gestión de la vida silvestre .
- Otro
- Receptor de telemetría : recibe señales de datos para monitorear las condiciones de un proceso. La telemetría se utiliza para monitorear misiles y naves espaciales en vuelo, registro de pozos durante la perforación de petróleo y gas e instrumentos científicos no tripulados en ubicaciones remotas.
- Receptor de medición : un receptor de radio calibrado de laboratorio que se utiliza para medir las características de las señales de radio. A menudo incorpora un analizador de espectro .
- Radiotelescopio : antena y receptor de radio especializados que se utilizan como instrumento científico para estudiar ondas de radio débiles de fuentes de radio astronómicas en el espacio, como estrellas, nebulosas y galaxias en radioastronomía . Son los receptores de radio más sensibles que existen, con grandes antenas parabólicas (plato) de hasta 500 metros de diámetro y circuitos de radio extremadamente sensibles. El extremo frontal de RF del receptor a menudo seenfría criogénicamente con nitrógeno líquido para reducir el ruido de radio .
Cómo funcionan los receptores
Un receptor de radio está conectado a una antena que convierte parte de la energía de la onda de radio entrante en una pequeña tensión de CA de radiofrecuencia que se aplica a la entrada del receptor. Normalmente, una antena consta de una disposición de conductores metálicos. Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de la onda de radio empujan los electrones de la antena hacia adelante y hacia atrás, creando un voltaje oscilante.
La antena puede estar encerrada dentro de la caja del receptor, como con las antenas de bucle de ferrita de los radios AM y la antena F plana invertida de los teléfonos celulares; conectado al exterior del receptor, como con las antenas de látigo que se utilizan en las radios FM , o montado por separado y conectado al receptor por un cable, como con las antenas de televisión de techo y antenas parabólicas .
Funciones principales de un receptor
Los receptores de radio prácticos realizan tres funciones básicas en la señal de la antena: filtrado , amplificación y demodulación : [5]
Filtrado de paso de banda
Las ondas de radio de muchos transmisores pasan por el aire simultáneamente sin interferir entre sí y son recibidas por la antena. Estos se pueden separar en el receptor porque tienen diferentes frecuencias ; es decir, la onda de radio de cada transmisor oscila a una velocidad diferente. Para separar la señal de radio deseada, el filtro de paso de banda permite que pase la frecuencia de la transmisión de radio deseada y bloquea las señales en todas las demás frecuencias.
El filtro de paso de banda consta de uno o más circuitos resonantes (circuitos sintonizados). El circuito resonante está conectado entre la entrada de la antena y tierra. Cuando la señal de radio entrante está en la frecuencia resonante, el circuito resonante tiene alta impedancia y la señal de radio de la estación deseada se transmite a las siguientes etapas del receptor. En todas las demás frecuencias, el circuito resonante tiene baja impedancia, por lo que las señales en estas frecuencias se conducen a tierra.
- Ancho de banda y selectividad : ver gráficos. La información ( modulación ) en una transmisión de radio está contenida en dos bandas estrechas de frecuencias llamadas bandas laterales (SB) a cada lado de lafrecuencia portadora (C) , por lo que el filtro tiene que pasar una banda de frecuencias, no solo una frecuencia única. La banda de frecuencias que recibe el receptor se denomina banda de paso (PB) , y el ancho de la banda de paso en kilohercios se denomina ancho de banda (BW) . El ancho de banda del filtro debe ser lo suficientemente amplio para permitir que las bandas laterales pasen sin distorsión, pero lo suficientemente estrecho para bloquear cualquier transmisión que interfiera en frecuencias adyacentes (como S2 en el diagrama). La capacidad del receptor para rechazar estaciones de radio no deseadas cercanas en frecuencia a la estación deseada es un parámetro importante llamado selectividad determinada por el filtro. En los receptores modernos, amenudo se utilizan filtros de cristal de cuarzo , resonador cerámico u ondas acústicas de superficie (SAW) que tienen una selectividad más aguda en comparación con las redes de circuitos sintonizados por condensador-inductor.
- Sintonización : Para seleccionar una emisora en particular, la radio se " sintoniza " a la frecuencia del transmisor deseado. La radio tiene un dial o pantalla digital que muestra la frecuencia a la que está sintonizada. La sintonización consiste en ajustar la frecuencia de la banda de paso del receptor a la frecuencia del transmisor de radio deseado. Al girar la perilla de sintonización se cambia la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado . Cuando la frecuencia de resonancia es igual a la frecuencia del transmisor de radio, el circuito sintonizado oscila en simpatía, pasando la señal al resto del receptor.
Amplificación
La potencia de las ondas de radio captadas por una antena receptora disminuye con el cuadrado de su distancia desde la antena transmisora. Incluso con los potentes transmisores utilizados en las estaciones de radio que transmiten, si el receptor es más que unas pocas millas del transmisor de la potencia recibido por la antena del receptor es muy pequeña, quizás tan bajo como picovatios o femtowatts . Para aumentar la potencia de la señal recuperada, un circuito amplificador utiliza energía eléctrica de las baterías o del enchufe de la pared para aumentar la amplitud (voltaje o corriente) de la señal. En la mayoría de los receptores modernos, los componentes electrónicos que amplifican son los transistores .
Los receptores generalmente tienen varias etapas de amplificación: la señal de radio del filtro de paso de banda se amplifica para que sea lo suficientemente potente como para impulsar el demodulador, luego la señal de audio del demodulador se amplifica para que sea lo suficientemente potente como para operar el altavoz. El grado de amplificación de un receptor de radio se mide mediante un parámetro llamado su sensibilidad , que es la intensidad mínima de la señal de una estación en la antena, medida en microvoltios , necesaria para recibir la señal con claridad, con una cierta relación señal-ruido. . Dado que es fácil amplificar una señal en cualquier grado deseado, el límite de la sensibilidad de muchos receptores modernos no es el grado de amplificación, sino el ruido electrónico aleatorio presente en el circuito, que puede ahogar una señal de radio débil.
Demodulación
Después de la señal de radio se filtra y amplifica, el receptor debe extraer la información de soporte de la modulación de la señal de la frecuencia de radio modulada onda portadora . Esto se realiza mediante un circuito llamado demodulador ( detector ). Cada tipo de modulación requiere un tipo diferente de demodulador
- un receptor de AM que recibe una señal de radio ( modulada en amplitud ) utiliza un demodulador de AM
- un receptor de FM que recibe una señal de frecuencia modulada utiliza un demodulador de FM
- un receptor FSK que recibe codificación por desplazamiento de frecuencia (utilizado para transmitir datos digitales en dispositivos inalámbricos) utiliza un demodulador FSK
También se utilizan muchos otros tipos de modulación para fines especializados.
La señal de modulación emitida por el demodulador generalmente se amplifica para aumentar su fuerza, luego la información se convierte de nuevo a una forma utilizable por humanos mediante algún tipo de transductor . Una señal de audio , que representa el sonido, como en una radiodifusión, se convierte en ondas sonoras mediante un auricular o un altavoz . Una señal de video , que representa imágenes en movimiento, como en un receptor de televisión , se convierte en luz mediante una pantalla . Los datos digitales , como en un módem inalámbrico , se aplican como entrada a una computadora o microprocesador , que interactúa con los usuarios humanos.
- Demodulación AM
- El tipo de demodulación más fácil de entender es la demodulación AM, que se utiliza en las radios AM para recuperar la señal de modulación de audio , que representa el sonido y es convertida en ondas sonoras por el altavoz de la radio . Se logra mediante un circuito llamado detector de envolvente (ver circuito) , que consta de un diodo (D) con un condensador de derivación (C) en su salida.
- Ver gráficos. La señal de radio modulada en amplitud del circuito sintonizado se muestra en (A) . Las oscilaciones rápidas son la onda portadora de radiofrecuencia . La señal de audio (el sonido) está contenida en las variaciones lentas ( modulación ) de la amplitud (tamaño) de las ondas. Si se aplicó directamente al altavoz, esta señal no se puede convertir en sonido, porque las excursiones de audio son las mismas en ambos lados del eje, con un promedio de cero, lo que no daría lugar a ningún movimiento neto del diafragma del altavoz. (B) Cuando esta señal se aplica como entrada V I al detector, el diodo (D) conduce la corriente en una dirección pero no en la dirección opuesta, permitiendo así pulsos de corriente en un solo lado de la señal. En otras palabras, rectifica la corriente alterna a una corriente continua pulsante. El voltaje resultante V O aplicado a la carga R L ya no promedia cero; su valor máximo es proporcional a la señal de audio. (C) El condensador de derivación (C) se carga con los pulsos de corriente del diodo, y su voltaje sigue los picos de los pulsos, la envolvente de la onda de audio. Se lleva a cabo un alisado ( bajo filtrado de paso de función), la eliminación de los impulsos de frecuencia portadora de radio, dejando la señal de audio de baja frecuencia para pasar a través de la carga R L . La señal de audio se amplifica y se aplica a los auriculares o al altavoz.
Receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF)
En el tipo más simple de receptor de radio, llamado receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF) , las tres funciones anteriores se realizan consecutivamente: [6] (1) la mezcla de señales de radio de la antena se filtra para extraer la señal del transmisor deseado ; (2) este voltaje oscilante se envía a través de una frecuencia de radio (RF) amplificador para aumentar su resistencia a un nivel suficiente para conducir el demodulador; (3) el demodulador recupera la señal de modulación (que en los receptores de radiodifusión es una señal de audio , un voltaje que oscila a una frecuencia de audio que representa las ondas sonoras) de la onda portadora de radio modulada ; (4) la señal de modulación se amplifica aún más en un amplificador de audio , luego se aplica a un altavoz o auricular para convertirla en ondas sonoras.
Aunque el receptor TRF se usa en algunas aplicaciones, tiene desventajas prácticas que lo hacen inferior al receptor superheterodino que se muestra a continuación, que se usa en la mayoría de las aplicaciones. [6] Los inconvenientes surgen del hecho de que en el TRF el filtrado, la amplificación y la demodulación se realizan a la alta frecuencia de la señal de radio entrante. El ancho de banda de un filtro aumenta con su frecuencia central, por lo que a medida que el receptor TRF se sintoniza en diferentes frecuencias, su ancho de banda varía. Lo que es más importante, la creciente congestión del espectro de radio requiere que los canales de radio estén espaciados muy juntos en frecuencia. Es extremadamente difícil construir filtros que operen en frecuencias de radio que tengan un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para separar estaciones de radio poco espaciadas. Los receptores TRF normalmente deben tener muchas etapas de sintonización en cascada para lograr una selectividad adecuada. La sección de Ventajas a continuación describe cómo el receptor superheterodino supera estos problemas.
El diseño superheterodino
El receptor superheterodino , inventado en 1918 por Edwin Armstrong [7] es el diseño utilizado en casi todos los receptores modernos [8] [6] [9] [10] excepto en algunas aplicaciones especializadas.
En el superheterodino, la señal de radiofrecuencia de la antena se desplaza hacia una " frecuencia intermedia " (IF) más baja , antes de ser procesada. [11] [12] [13] [14] La señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla con una señal no modulada generada por un oscilador local (LO) en el receptor. La mezcla se realiza en un circuito no lineal llamado " mezclador ". El resultado a la salida del mezclador es una frecuencia heterodina o de batido en la diferencia entre estas dos frecuencias. El proceso es similar a la forma en que dos notas musicales a diferentes frecuencias tocadas juntas producen una nota de tiempo . Esta frecuencia más baja se llama frecuencia intermedia (IF). La señal de FI también tiene las bandas laterales de modulación que transportan la información que estaba presente en la señal de RF original. La señal de FI pasa por las etapas de filtro y amplificador, [9] luego es demodulada en un detector, recuperando la modulación original.
El receptor es fácil de sintonizar; para recibir una frecuencia diferente solo es necesario cambiar la frecuencia del oscilador local. Las etapas del receptor después del mezclador funcionan a la frecuencia intermedia fija (IF), por lo que el filtro de paso de banda de IF no tiene que ajustarse a diferentes frecuencias. La frecuencia fija permite que los receptores modernos utilicen filtros de FI de cristal de cuarzo sofisticado , resonador cerámico u ondas acústicas de superficie (SAW) que tienen factores Q muy altos , para mejorar la selectividad.
El filtro de RF en el extremo frontal del receptor es necesario para evitar interferencias de cualquier señal de radio en la frecuencia de la imagen . Sin un filtro de entrada, el receptor puede recibir señales de RF entrantes en dos frecuencias diferentes. [15] [10] [14] [16] El receptor puede diseñarse para recibir en cualquiera de estas dos frecuencias; si el receptor está diseñado para recibir en una, cualquier otra estación de radio o ruido de radio en la otra frecuencia puede pasar e interferir con la señal deseada. Una sola etapa de filtro de RF sintonizable rechaza la frecuencia de la imagen; dado que están relativamente lejos de la frecuencia deseada, un filtro simple proporciona un rechazo adecuado. El rechazo de señales interferentes mucho más cercanas en frecuencia a la señal deseada es manejado por las múltiples etapas de sintonización aguda de los amplificadores de frecuencia intermedia, que no necesitan cambiar su sintonización. [10] Este filtro no necesita una gran selectividad, pero como el receptor está sintonizado a diferentes frecuencias, debe "rastrear" en conjunto con el oscilador local. El filtro de RF también sirve para limitar el ancho de banda aplicado al amplificador de RF, evitando que se sobrecargue con fuertes señales fuera de banda.
Para lograr tanto un buen rechazo de imagen como una selectividad, muchos receptores superhet modernos utilizan dos frecuencias intermedias; esto se llama superheterodino de doble conversión o doble conversión . [6] La señal de RF entrante se mezcla primero con una señal de oscilador local en el primer mezclador para convertirla a una frecuencia de FI alta, para permitir un filtrado eficiente de la frecuencia de la imagen, luego esta primera señal de FI se mezcla con una segunda señal de oscilador local en un segundo mezclador para convertirlo a una frecuencia de FI baja para un buen filtrado de paso de banda. Algunos receptores incluso usan triple conversión.
A costa de las etapas adicionales, el receptor superheterodino ofrece la ventaja de una mayor selectividad que la que se puede lograr con un diseño TRF. Cuando se utilizan frecuencias muy altas, solo la etapa inicial del receptor debe funcionar a las frecuencias más altas; las etapas restantes pueden proporcionar gran parte de la ganancia del receptor a frecuencias más bajas, lo que puede ser más fácil de administrar. La afinación se simplifica en comparación con un diseño TRF de varias etapas, y solo es necesario realizar un seguimiento de dos etapas sobre el rango de afinación. La amplificación total del receptor se divide entre tres amplificadores a diferentes frecuencias; el amplificador de RF, IF y audio. Esto reduce los problemas con la retroalimentación y las oscilaciones parásitas que se encuentran en los receptores donde la mayoría de las etapas del amplificador operan a la misma frecuencia, como en el receptor TRF. [11]
La ventaja más importante es que se puede lograr una mejor selectividad haciendo el filtrado a la frecuencia intermedia más baja. [6] [9] [11] Uno de los parámetros más importantes de un receptor es su ancho de banda , la banda de frecuencias que acepta. Para rechazar las estaciones interferentes cercanas o el ruido, se requiere un ancho de banda estrecho. En todas las técnicas de filtrado conocidas, el ancho de banda del filtro aumenta en proporción con la frecuencia, por lo que al realizar el filtrado en el nivel más bajo, en lugar de la frecuencia de la señal de radio original , se puede lograr un ancho de banda más estrecho. La radiodifusión de FM y televisión, los teléfonos móviles y otros servicios de comunicaciones modernos, con sus estrechos anchos de canal, serían imposibles sin el superheterodino. [9]
Control automático de ganancia (AGC)
La intensidad de la señal ( amplitud ) de la señal de radio de la antena de un receptor varía drásticamente, en órdenes de magnitud, dependiendo de qué tan lejos esté el transmisor de radio, qué tan poderoso sea y las condiciones de propagación a lo largo del camino de las ondas de radio. [17] La intensidad de la señal recibida de un transmisor determinado varía con el tiempo debido a las condiciones cambiantes de propagación de la ruta por la que pasa la onda de radio, como la interferencia de múltiples rutas ; esto se llama desvanecimiento . [17] [6] En un receptor de AM, la amplitud de la señal de audio del detector y el volumen del sonido es proporcional a la amplitud de la señal de radio, por lo que el desvanecimiento provoca variaciones en el volumen. Además, como el receptor está sintonizado entre estaciones fuertes y débiles, el volumen del sonido del altavoz variaría drásticamente. Sin un sistema automático para manejarlo, en un receptor AM, se requeriría un ajuste constante del control de volumen.
Con otros tipos de modulación como FM o FSK, la amplitud de la modulación no varía con la intensidad de la señal de radio, pero en todos los tipos el demodulador requiere un cierto rango de amplitud de señal para funcionar correctamente. [6] [18] Una amplitud de señal insuficiente provocará un aumento de ruido en el demodulador, mientras que una amplitud de señal excesiva hará que las etapas del amplificador se sobrecarguen (se saturen), provocando la distorsión (recorte) de la señal.
Por lo tanto, casi todos los receptores modernos incluyen un sistema de control de retroalimentación que monitorea el nivel promedio de la señal de radio en el detector y ajusta la ganancia de los amplificadores para brindar el nivel de señal óptimo para la demodulación. [6] [18] [17] Esto se denomina control automático de ganancia (AGC). AGC se puede comparar con el mecanismo de adaptación a la oscuridad en el ojo humano ; al entrar en una habitación oscura, la apertura del iris aumenta la ganancia del ojo. [17] En su forma más simple, un sistema AGC consiste en un rectificador que convierte la señal de RF a un nivel de CC variable, un filtro de paso bajo para suavizar las variaciones y producir un nivel promedio. [18] Esto se aplica como una señal de control a una etapa anterior del amplificador, para controlar su ganancia. En un receptor superheterodino, el AGC generalmente se aplica al amplificador de FI , y puede haber un segundo bucle de AGC para controlar la ganancia del amplificador de RF para evitar que también se sobrecargue.
En ciertos diseños de receptores, como los receptores digitales modernos, un problema relacionado es el desplazamiento de CC de la señal. Esto se corrige con un sistema de retroalimentación similar.
Historia
Las ondas de radio se identificaron por primera vez en la serie de experimentos de 1887 del físico alemán Heinrich Hertz para probar la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell . Hertz usó antenas dipolo excitadas por chispas para generar las ondas y brechas de chispas micrométricas conectadas a antenas dipolo y de bucle para detectarlas. [19] [20] [21] Estos dispositivos primitivos se describen con mayor precisión como sensores de ondas de radio, no "receptores", ya que solo podían detectar ondas de radio a unos 100 pies del transmisor y no se utilizaban para la comunicación sino como instrumentos de laboratorio en experimentos científicos.
Era de la chispa
Los primeros transmisores de radio , utilizados durante las tres décadas iniciales de la radio desde 1887 hasta 1917, un período llamado la era de la chispa , fueron transmisores de chispa que generaban ondas de radio al descargar una capacitancia a través de una chispa eléctrica . [23] [24] [25] Cada chispa produjo un pulso transitorio de ondas de radio que disminuyó rápidamente a cero. [19] [21] Estas ondas amortiguadas no podían modularse para transportar sonido, como en las transmisiones modernas de AM y FM . Por lo tanto, los transmisores de chispas no podían transmitir sonido y, en cambio, transmitían información por radiotelegrafía . El operador encendía y apagaba rápidamente el transmisor utilizando una tecla de telégrafo , creando pulsos de ondas de radio amortiguadas de diferentes longitudes ("puntos" y "guiones") para deletrear los mensajes de texto en código Morse . [21] [24]
Por lo tanto, los primeros receptores de radio no tenían que extraer una señal de audio de la onda de radio como los receptores modernos, sino que simplemente detectaban la presencia de la señal de radio y producían un sonido durante los "puntos" y los "guiones". [21] El dispositivo que hizo esto se llamó " detector ". Dado que no había dispositivos amplificadores en este momento, la sensibilidad del receptor dependía principalmente del detector. Se probaron muchos dispositivos detectores diferentes. Los receptores de radio durante la era de las chispas constaban de estas partes: [6]
- Una antena para interceptar las ondas de radio y convertirlas en pequeñas corrientes eléctricas de radiofrecuencia .
- Un circuito sintonizado , que consta de un condensador conectado a una bobina de cable, que actúa como un filtro de paso de banda para seleccionar la señal deseada de todas las señales captadas por la antena. El condensador o la bobina eran ajustables para sintonizar el receptor a la frecuencia de diferentes transmisores. Los primeros receptores, antes de 1897, no tenían circuitos sintonizados, respondían a todas las señales de radio captadas por sus antenas, por lo que tenían poca capacidad de discriminación de frecuencia y recibían cualquier transmisor en su vecindad. [26] La mayoría de los receptores usaban un par de circuitos sintonizados con sus bobinas acopladas magnéticamente , llamado transformador resonante (transformador de oscilación) o "acoplador suelto".
- Un detector , que produce un pulso de corriente continua por cada onda amortiguada recibida.
- Un dispositivo indicador, como un auricular , que convierte los pulsos de corriente en ondas sonoras. En su lugar, los primeros receptores utilizaron un timbre eléctrico . Los receptores posteriores en los sistemas inalámbricos comerciales utilizaron un registrador de sifón Morse , [19] que consistía en una pluma de tinta montada en una aguja movida por un electroimán (un galvanómetro ) que trazaba una línea en una cinta de papel en movimiento . Cada cadena de ondas amortiguadas que constituían un "punto" o "guión" Morse hacía que la aguja se balanceara, creando un desplazamiento de la línea, que podía leerse en la cinta. Con un receptor tan automatizado, un operador de radio no tenía que monitorear continuamente el receptor.
La señal del transmisor de chispa consistía en ondas amortiguadas repetidas a una frecuencia de audio, de 120 a quizás 4000 por segundo, por lo que en el auricular la señal sonaba como un tono musical o un zumbido, y el código Morse "puntos" y "guiones". "sonaba como pitidos.
La primera persona que utilizó ondas de radio para comunicarse fue Guglielmo Marconi . [24] [27] Marconi inventó poco él mismo, pero fue el primero en creer que la radio podría ser un medio de comunicación práctico, y desarrolló por sí solo los primeros sistemas, transmisores y receptores de telegrafía inalámbricos , comenzando en 1894–5, [27] principalmente por mejorar la tecnología inventada por otros. [24] [28] [29] [30] [31] [32] Oliver Lodge y Alexander Popov también estaban experimentando con aparatos receptores de ondas de radio similares al mismo tiempo en 1894–5, [29] [33] pero son no se sabe que haya transmitido código Morse durante este período, [24] [27] sólo cadenas de pulsos aleatorios. Por lo tanto, a Marconi se le suele atribuir el mérito de haber construido los primeros receptores de radio.
Receptor Coherer
Los primeros receptores de radio inventados por Marconi, Oliver Lodge y Alexander Popov en 1894-5 usaban un detector de ondas de radio primitivo llamado coherer , inventado en 1890 por Edouard Branly y mejorado por Lodge y Marconi. [19] [24] [26] [29] [33] [34] [35] El cohesor era un tubo de vidrio con electrodos metálicos en cada extremo, con polvo metálico suelto entre los electrodos. [19] [24] [36] Inicialmente tenía una alta resistencia . Cuando se aplicó un voltaje de radiofrecuencia a los electrodos, su resistencia disminuyó y condujo electricidad. En el receptor, el coherer estaba conectado directamente entre la antena y el suelo. Además de la antena, el coherer estaba conectado en un circuito de CC con una batería y un relé . Cuando la onda de radio entrante redujo la resistencia del coherer, la corriente de la batería fluyó a través de él, encendiendo el relé para hacer sonar una campana o hacer una marca en una cinta de papel en un registrador de sifón . Para restaurar el cohesor a su estado anterior no conductor para recibir el siguiente pulso de ondas de radio, tuvo que ser golpeado mecánicamente para perturbar las partículas metálicas. [19] [24] [33] [37] Esto fue hecho por un "decoherer", un badajo que golpeó el tubo, operado por un electroimán alimentado por el relé.
El cohesor es un dispositivo antiguo y oscuro, e incluso hoy en día existe cierta incertidumbre sobre el mecanismo físico exacto por el que funcionaban los distintos tipos. [19] [28] [38] Sin embargo, se puede ver que era esencialmente un dispositivo biestable , un interruptor operado por ondas de radio, por lo que no tenía la capacidad de rectificar la onda de radio para demodular la última amplitud modulada ( AM) transmisiones de radio que llevaban sonido. [19] [28]
En una larga serie de experimentos, Marconi descubrió que al usar una antena monopolo de cable elevado en lugar de las antenas dipolo de Hertz , podía transmitir distancias más largas, más allá de la curva de la Tierra, demostrando que la radio no era solo una curiosidad de laboratorio, sino un método de comunicación comercialmente viable. Esto culminó en su histórica transmisión inalámbrica transatlántica el 12 de diciembre de 1901 desde Poldhu, Cornualles a St. John's, Terranova , una distancia de 3500 km (2200 millas), que fue recibida por un coherer. [28] [32] Sin embargo, el rango habitual de receptores de coherer, incluso con los potentes transmisores de esta era, se limitaba a unos pocos cientos de millas.
El cohesor siguió siendo el detector dominante utilizado en los primeros receptores de radio durante unos 10 años, [36] hasta que fue reemplazado por el detector de cristal y el detector electrolítico alrededor de 1907. A pesar de mucho trabajo de desarrollo, era un dispositivo muy poco satisfactorio. [19] [24] No era muy sensible y también respondía al ruido de radio impulsivo ( RFI ), como el encendido o apagado de luces cercanas, así como a la señal deseada. [24] [36] Debido al engorroso mecanismo mecánico de "retroceso", estaba limitado a una velocidad de datos de aproximadamente 12-15 palabras por minuto de código Morse , mientras que un transmisor de chispa podía transmitir Morse hasta 100 WPM con una máquina de cinta de papel. [39] [40]
Otros detectores tempranos
El bajo rendimiento del cohesor motivó una gran cantidad de investigación para encontrar mejores detectores de ondas de radio, y muchos fueron inventados. Se probaron algunos dispositivos extraños; los investigadores experimentaron con el uso de ancas de rana [41] e incluso un cerebro humano [42] de un cadáver como detectores. [19] [43]
En los primeros años del siglo XX, se estaban realizando experimentos en el uso de modulación de amplitud (AM) para transmitir sonido por radio ( radiotelefonía ). Entonces, un segundo objetivo de la investigación de detectores fue encontrar detectores que pudieran demodular una señal de AM, extrayendo la señal de audio (sonido) de la onda portadora de radio . Se descubrió por ensayo y error que esto podría hacerse mediante un detector que exhibiera "conducción asimétrica"; un dispositivo que conducía corriente en una dirección pero no en la otra. [44] Esto rectificó la señal de radio de corriente alterna, eliminando un lado de los ciclos de la portadora, dejando una corriente continua pulsante cuya amplitud variaba con la señal de modulación de audio. Cuando se aplica a un auricular, esto reproduciría el sonido transmitido.
A continuación se muestran los detectores que tuvieron un amplio uso antes de que los tubos de vacío se hicieran cargo alrededor de 1920. [45] [46] Todos, excepto el detector magnético, podían rectificar y, por lo tanto, recibir señales de AM:
- Detector magnético : desarrollado por Guglielmo Marconi en 1902 a partir de un método inventado por Ernest Rutherford y utilizado por Marconi Co. hasta que adoptó el tubo de vacío Audion alrededor de 1912, se trataba de un dispositivo mecánico que constaba de una banda sin fin de cables de hierro que pasaban entre dos poleas giradas por un mecanismo de cuerda. [47] [48] [49] [50] Los alambres de hierro pasaban a través de una bobina de alambre fino unido a la antena, en un campo magnético creado por dos imanes . La histéresis del hierro inducía un pulso de corriente en una bobina de sensor cada vez que una señal de radio pasaba a través de la bobina de excitación. El detector magnético se utilizó en los receptores de a bordo debido a su insensibilidad a las vibraciones. Uno era parte de la estación inalámbrica del RMS Titanic que se utilizó para pedir ayuda durante el famoso hundimiento del 15 de abril de 1912. [51]
- Detector electrolítico (" barril líquido ") - Inventado en 1903 por Reginald Fessenden , este consistía en un delgado alambre de platino plateado encerrado en una varilla de vidrio, con la punta haciendo contacto con la superficie de una taza de ácido nítrico . [19] [48] [52] [53] [54] La acción electrolítica provocó que la corriente se condujera en una sola dirección. El detector se usó hasta aproximadamente 1910. [48] Los detectores electrolíticos que Fessenden había instalado en los barcos de la Marina de los EE. UU. Recibieron la primera transmisión de radio AM en la víspera de Navidad de 1906, una noche de música navideña transmitida por Fessenden usando su nuevo transmisor alternador. [19]
- Diodo termoiónico ( válvula Fleming ): el primer tubo de vacío , inventado en 1904 por John Ambrose Fleming , consistía en una bombilla de vidrio evacuada que contenía dos electrodos: un cátodo que constaba de un filamento de alambre calientesimilar al de una bombilla incandescente y un metal. ánodo de placa. [26] [55] [56] [57] Fleming, un consultor de Marconi, inventó la válvula como un detector más sensible para la recepción inalámbrica transatlántica. El filamento fue calentado por una corriente separada a través de él y emitió electrones en el tubo por emisión termoiónica , un efecto que había sido descubierto por Thomas Edison . La señal de radio se aplicó entre el cátodo y el ánodo. Cuando el ánodo era positivo, una corriente de electrones fluía desde el cátodo al ánodo, pero cuando el ánodo era negativo, los electrones eran repelidos y no fluía corriente. La válvula Fleming se usó de forma limitada, pero no fue popular porque era cara, tenía una vida útil limitada del filamento y no era tan sensible como los detectores electrolíticos o de cristal. [55]
- Detector de cristal ( detector de bigotes de gato ): inventado alrededor de 1904-1906 por Henry HC Dunwoody y Greenleaf Whittier Pickard , basado en eldescubrimiento de Karl Ferdinand Braun en 1874 de la "conducción asimétrica" en los cristales, estos fueron los detectores más exitosos y más utilizados antes de la era del tubo de vacío [44] [45] y dieron su nombre alreceptor de radio de cristal (abajo) . [48] [58] [59] Uno de los primeros dispositivos electrónicos semiconductores , un detector de cristal consistía en un guijarro del tamaño de un guisante de un mineral semiconductor cristalino como galena ( sulfuro de plomo ) cuya superficie fue tocada por un alambre de metal elástico fino montado en un brazo ajustable. [26] Este funcionaba como un diodo primitivoque conducía corriente eléctrica en una sola dirección. Además de su uso en radios de cristal, losdetectores de cristal de carborundo también se usaron en algunas radios de tubo de vacío tempranas porque eran más sensibles que el detector de fugas de rejilla de tubo de vacío.
Durante la era del tubo de vacío, el término "detector" pasó de significar un detector de ondas de radio a un demodulador , un dispositivo que podía extraer la señal de modulación de audio de una señal de radio. Ese es su significado hoy.
Afinación
"Sintonización" significa ajustar la frecuencia del receptor a la frecuencia de la transmisión de radio deseada. Los primeros receptores no tenían circuito sintonizado, el detector estaba conectado directamente entre la antena y tierra. Debido a la falta de componentes selectivos de frecuencia además de la antena, el ancho de banda del receptor era igual al ancho de banda amplio de la antena. [25] [26] [34] [60] Esto era aceptable e incluso necesario porque los primeros transmisores de chispa hertzianos también carecían de un circuito sintonizado. Debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, la energía de las ondas de radio se distribuyó en una banda de frecuencias muy amplia. [61] [62] Para recibir suficiente energía de esta señal de banda ancha, el receptor también tenía que tener un ancho de banda amplio.
Cuando más de un transmisor de chispas irradiaba en un área determinada, sus frecuencias se superponían, por lo que sus señales interferían entre sí, lo que resultaba en una recepción confusa. [25] [60] [63] Se necesitaba algún método para permitir que el receptor seleccionara qué señal del transmisor recibir. [63] [64] Múltiples longitudes de onda producidas por un transmisor mal sintonizado causaron que la señal se "amortiguara" o se apagara, reduciendo en gran medida la potencia y el rango de transmisión. [65] En 1892, William Crookes dio una conferencia [66] sobre radio en la que sugirió usar resonancia para reducir el ancho de banda de transmisores y receptores. Entonces se podrían "sintonizar" diferentes transmisores para transmitir en diferentes frecuencias para que no interfirieran. [32] [61] [67] El receptor también tendría un circuito resonante ( circuito sintonizado) y podría recibir una transmisión en particular "sintonizando" su circuito resonante a la misma frecuencia que el transmisor, de manera análoga a sintonizar un instrumento musical para resonancia con otro. Este es el sistema utilizado en todas las radios modernas.
La sintonización se utilizó en los experimentos originales de Hertz [68] y la aplicación práctica de la sintonización apareció a principios y mediados de la década de 1890 en sistemas inalámbricos no diseñados específicamente para comunicaciones por radio. La conferencia de Nikola Tesla de marzo de 1893 que demostró la transmisión inalámbrica de energía para la iluminación (principalmente por lo que él pensaba que era conducción terrestre [69] ) incluía elementos de sintonía. El sistema de iluminación inalámbrico consistía en un transformador resonante conectado a tierra excitado por chispas con una antena de alambre que transmitía energía a través de la habitación a otro transformador resonante sintonizado con la frecuencia del transmisor, que encendía un tubo Geissler . [29] [67] El uso de la sintonización en el espacio libre "ondas hertzianas" (radio) se explicó y demostró en las conferencias de 1894 de Oliver Lodge sobre el trabajo de Hertz. [70] En ese momento, Lodge estaba demostrando las cualidades físicas y ópticas de las ondas de radio en lugar de intentar construir un sistema de comunicación, pero continuaría desarrollando métodos (patentados en 1897) de sintonización de radio (lo que él llamó "sintonía"), incluido el uso de inductancia variable para sintonizar antenas. [71] [72] [73]
Para 1897, las ventajas de los sistemas sintonizados se habían vuelto claras, y Marconi y los otros investigadores inalámbricos habían incorporado circuitos sintonizados , que consisten en condensadores e inductores conectados entre sí, en sus transmisores y receptores. [25] [29] [32] [34] [60] [72] El circuito sintonizado actuó como un análogo eléctrico de un diapasón . Tenía una alta impedancia en su frecuencia de resonancia , pero una baja impedancia en todas las demás frecuencias. Conectado entre la antena y el detector, sirvió como filtro de paso de banda , pasando la señal de la estación deseada al detector, pero enrutando todas las demás señales a tierra. [26] La frecuencia de la estación recibida f fue determinada por la capacitancia C y la inductancia L en el circuito sintonizado:
Acoplamiento inductivo
Para rechazar el ruido de radio y la interferencia de otros transmisores cercanos en frecuencia a la estación deseada, el filtro de paso de banda (circuito sintonizado) en el receptor debe tener un ancho de banda estrecho , permitiendo solo una banda estrecha de frecuencias a través. [25] [26] La forma de filtro de paso de banda que se utilizó en los primeros receptores, que se ha seguido utilizando en los receptores hasta hace poco, fue el circuito de doble sintonización acoplado inductivamente o transformador resonante ( transformador de oscilación o transformador de RF) . [25] [29] [32] [34] [72] [74] La antena y la tierra estaban conectadas a una bobina de alambre, que estaba acoplada magnéticamente a una segunda bobina con un condensador a través de ella, que estaba conectada al detector. . [26] La corriente alterna de RF de la antena a través de la bobina primaria creó un campo magnético que indujo una corriente en la bobina secundaria que alimentaba el detector. Tanto el primario como el secundario fueron circuitos sintonizados; [60] la bobina primaria resonó con la capacitancia de la antena, mientras que la bobina secundaria resonó con el condensador a través de ella. Ambos se ajustaron a la misma frecuencia de resonancia .
Este circuito tenía dos ventajas. [26] Una era que al usar la relación de espiras correcta, la impedancia de la antena podía coincidir con la impedancia del receptor, para transferir la máxima potencia de RF al receptor. La adaptación de impedancia fue importante para lograr el máximo rango de recepción en los receptores no amplificados de esta era. [22] [26] Las bobinas generalmente tenían tomas que podían seleccionarse mediante un interruptor de múltiples posiciones. La segunda ventaja era que, debido al "acoplamiento flojo", tenía un ancho de banda mucho más estrecho que un circuito sintonizado simple , y el ancho de banda podía ajustarse. [25] [74] A diferencia de un transformador ordinario, las dos bobinas estaban "sueltas"; Separado físicamente por lo que no todo el campo magnético del primario pasa a través del secundario, reduciendo la inductancia mutua . Esto dio a los circuitos acoplados sintonizados una sintonización mucho más "nítida", un ancho de banda más estrecho que un solo circuito sintonizado. En el acoplador suelto "tipo Navy" (ver imagen) , ampliamente utilizado con receptores de cristal , la bobina secundaria más pequeña se montó en un bastidor que se podía deslizar dentro o fuera de la bobina primaria, para variar la inductancia mutua entre las bobinas. [25] [75] Cuando el operador encontró una señal de interferencia en una frecuencia cercana, el secundario podría deslizarse más fuera del primario, reduciendo el acoplamiento, lo que redujo el ancho de banda, rechazando la señal de interferencia. Una desventaja fue que los tres ajustes en el acoplador suelto (sintonización primaria, sintonización secundaria y acoplamiento) eran interactivos; cambiar uno cambió los otros. Así que sintonizar una nueva emisora fue un proceso de ajustes sucesivos.
La selectividad se volvió más importante a medida que los transmisores de chispa fueron reemplazados por transmisores de onda continua que transmitían en una banda estrecha de frecuencias, y la transmisión dio lugar a una proliferación de estaciones de radio poco espaciadas que ocupaban el espectro de radio. [26] Los transformadores resonantes continuaron utilizándose como filtro de paso de banda en radios de tubo de vacío, y se inventaron nuevas formas como el variómetro . [75] [76] Otra ventaja del transformador de doble sintonía para la recepción de AM era que cuando se ajustaba correctamente tenía una curva de respuesta de frecuencia "plana" en contraposición a la respuesta "puntiaguda" de un circuito sintonizado simple. [77] Esto le permitió pasar las bandas laterales de la modulación AM a ambos lados de la portadora con poca distorsión, a diferencia de un circuito sintonizado único que atenúa las frecuencias de audio más altas. Hasta hace poco, los filtros de paso de banda en el circuito superheterodino utilizados en todos los receptores modernos se fabricaban con transformadores resonantes, llamados transformadores de FI .
Disputas de patentes
El sistema de radio inicial de Marconi tenía una sintonización relativamente pobre, lo que limitaba su alcance y aumentaba la interferencia. [78] Para superar este inconveniente, desarrolló un sistema de cuatro circuitos con bobinas sintonizadas en " sintonía " tanto en los transmisores como en los receptores. [78] Su patente británica de 1900 # 7,777 (cuatro sietes) para tuning presentada en abril de 1900 y concedida un año después abrió la puerta a disputas de patentes ya que infringía las patentes Syntonic de Oliver Lodge, presentadas por primera vez en mayo de 1897, así como patentes presentadas por Ferdinand Braun . [78] Marconi pudo obtener patentes en el Reino Unido y Francia, pero la versión estadounidense de su patente de cuatro circuitos sintonizados, presentada en noviembre de 1900, fue inicialmente rechazada debido a que estaba anticipada por el sistema de sintonización de Lodge, y las versiones recargadas fueron rechazadas debido a las patentes anteriores de Braun y Lodge. [79] Se rechazó una aclaración adicional y una nueva presentación porque infringía partes de dos patentes anteriores que Tesla había obtenido para su sistema de transmisión de energía inalámbrica. [80] Los abogados de Marconi lograron que otro examinador reconsiderara una patente reenviada que inicialmente la rechazó debido a una patente de afinación de John Stone Stone preexistente , pero finalmente la aprobaron en junio de 1904 basándose en que tenía un sistema único de inductancia variable. sintonización que era diferente de Stone [81] [82] que sintonizaba variando la longitud de la antena. [79] Cuando la patente Syntonic de Lodge se extendió en 1911 por otros 7 años, la Compañía Marconi acordó resolver esa disputa de patentes, comprando la compañía de radio de Lodge con su patente en 1912, otorgándoles la patente prioritaria que necesitaban. [83] [84] Otras disputas sobre patentes surgirían a lo largo de los años, incluida una decisión de la Corte Suprema de los EE. UU. De 1943 sobre la capacidad de las empresas Marconi para demandar al gobierno de los EE. UU. Por infracción de patentes durante la Primera Guerra Mundial. no demandar por infracción de patentes cuando sus propias patentes no parecían tener prioridad sobre las patentes de Lodge, Stone y Tesla. [29] [67]
Receptor de radio de cristal
Aunque fue inventado en 1904 en la era de la telegrafía inalámbrica, el receptor de radio de cristal también podía rectificar las transmisiones de AM y servía como puente hacia la era de la radiodifusión. Además de ser el tipo principal utilizado en las estaciones comerciales durante la era de la telegrafía inalámbrica, fue el primer receptor en ser ampliamente utilizado por el público. [85] Durante las dos primeras décadas del siglo XX, cuando las estaciones de radio comenzaron a transmitir en voz AM ( radiotelefonía ) en lugar de radiotelegrafía, la escucha de radio se convirtió en un pasatiempo popular y el cristal fue el detector más simple y barato. Los millones de personas que compraron o fabricaron estos receptores confiables y económicos crearon una audiencia masiva para las primeras transmisiones de radio , que comenzaron alrededor de 1920. [86] A fines de la década de 1920, el receptor de cristal fue reemplazado por los receptores de tubo de vacío y se volvió obsoleto comercialmente. Sin embargo, siguió siendo utilizado por los jóvenes y los pobres hasta la Segunda Guerra Mundial. [85] Hoy en día, los estudiantes construyen estos simples receptores de radio como proyectos de ciencia educativa.
La radio de cristal utilizó un detector de bigotes de gato , inventado por Harrison HC Dunwoody y Greenleaf Whittier Pickard en 1904, para extraer el audio de la señal de radiofrecuencia. [26] [48] [87] Consistía en un cristal mineral, generalmente galena , que estaba ligeramente tocado por un fino alambre elástico (el "bigote de gato") en un brazo ajustable. [48] [88] La unión de semiconductores en bruto resultante funcionó como un diodo de barrera Schottky , conduciendo en una sola dirección. Solo determinados sitios de la superficie del cristal funcionaban como uniones detectoras, y la unión podía verse interrumpida por la más mínima vibración. Por lo tanto, se encontró un sitio utilizable mediante prueba y error antes de cada uso; el operador arrastraba el bigote del gato por el cristal hasta que la radio comenzaba a funcionar. Frederick Seitz, un investigador de semiconductores posterior, escribió:
Tal variabilidad, que bordea lo que parecía lo místico, plagó la historia temprana de los detectores de cristal y provocó que muchos de los expertos en tubos de vacío de una generación posterior consideraran el arte de la rectificación de cristales como algo casi de mala reputación. [89]
La radio de cristal no estaba amplificada y funcionaba con la potencia de las ondas de radio recibidas de la estación de radio, por lo que había que escucharla con auriculares ; no podía manejar un altavoz . [26] [88] Necesitaba una antena de cable largo y su sensibilidad dependía del tamaño de la antena. Durante la era inalámbrica se utilizó en estaciones comerciales y militares de onda larga con enormes antenas para recibir tráfico radiotelegráfico de larga distancia, incluso tráfico transatlántico. [90] [91] Sin embargo, cuando se usaba para recibir estaciones de transmisión, un equipo de cristal doméstico típico tenía un alcance más limitado de aproximadamente 25 millas. [92] En radios de cristal sofisticados se utilizó el "acoplador suelto" acoplado inductivamente circuito sintonizado para aumentar la Q . Sin embargo, todavía tenía una selectividad deficiente en comparación con los receptores modernos. [88]
Receptor heterodino y BFO
Alrededor de 1905, los transmisores de onda continua (CW) comenzaron a reemplazar a los transmisores de chispa para la radiotelegrafía porque tenían un alcance mucho mayor. Los primeros transmisores de onda continua fueron el arco Poulsen inventado en 1904 y el alternador Alexanderson desarrollado en 1906-1910, que fueron reemplazados por transmisores de tubo de vacío a partir de 1920. [21]
Las señales de radiotelegrafía de onda continua producidas por estos transmisores requerían un método de recepción diferente. [93] [94] Las señales de radiotelegrafía producidas por los transmisores de chispa consistían en cadenas de ondas amortiguadas que se repetían a una velocidad de audio, por lo que los "puntos" y "guiones" del código Morse eran audibles como un tono o zumbido en los auriculares de los receptores. . Sin embargo, las nuevas señales radiotelegráficas de onda continua consistían simplemente en pulsos de portadora no modulada ( ondas sinusoidales ). Estos eran inaudibles en los auriculares del receptor. Para recibir este nuevo tipo de modulación, el receptor tenía que producir algún tipo de tono durante los pulsos de portadora.
El primer dispositivo tosco que hizo esto fue el tikker , inventado en 1908 por Valdemar Poulsen . [45] [93] [95] Este era un interruptor vibratorio con un condensador en la salida del sintonizador que servía como modulador rudimentario , interrumpiendo la portadora a una velocidad de audio, produciendo así un zumbido en el auricular cuando la portadora estaba presente. [8] Un dispositivo similar fue la "rueda tonal" inventada por Rudolph Goldschmidt , una rueda accionada por un motor con contactos espaciados alrededor de su circunferencia, que hacía contacto con un cepillo estacionario.
En 1901 Reginald Fessenden había inventado un medio mejor para lograrlo. [93] [95] [96] [97] En su receptor heterodino se aplicó una señal de radio de onda sinusoidal no modulada a una frecuencia f O desplazada de la portadora de onda de radio entrante f C a un detector rectificador como un detector de cristal o un detector electrolítico , junto con la señal de radio de la antena. En el detector, las dos señales se mezclaron, creando dos nuevas frecuencias heterodinas ( latidos ) en la suma f C + f O y la diferencia f C - f O entre estas frecuencias. Al elegir f O correctamente, el heterodino inferior f C - f O estaba en el rango de frecuencia de audio , por lo que era audible como un tono en el auricular siempre que la portadora estaba presente. Por tanto, los "puntos" y los "guiones" del código Morse eran audibles como "pitidos" musicales. Una de las principales atracciones de este método durante este período de preamplificación fue que el receptor heterodino en realidad amplificó algo la señal, el detector tenía "ganancia de mezcla". [95]
El receptor se adelantó a su tiempo, porque cuando se inventó no existía un oscilador capaz de producir la onda sinusoidal de radiofrecuencia f O con la estabilidad requerida. [98] Fessenden utilizó por primera vez su gran alternador de radiofrecuencia , [8] pero esto no era práctico para los receptores normales. El receptor heterodino siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que apareció una fuente compacta y barata de ondas continuas, el oscilador electrónico de tubo de vacío [95] inventado por Edwin Armstrong y Alexander Meissner en 1913. [45] [99] Después de esto, se convirtió en el método estándar de recepción Radiotelegrafía CW. El oscilador heterodino es el antepasado del oscilador de frecuencia de batido (BFO) que se utiliza para recibir radiotelegrafía en los receptores de comunicaciones en la actualidad. El oscilador heterodino tenía que volver a sintonizarse cada vez que el receptor se sintonizaba en una nueva estación, pero en los receptores superheterodinos modernos la señal BFO late con la frecuencia intermedia fija , por lo que el oscilador de frecuencia de batido puede ser una frecuencia fija.
Armstrong utilizó más tarde el principio heterodino de Fessenden en su receptor superheterodino (abajo) . [95] [8]
Era del tubo de vacío
El tubo de vacío Audion ( triodo ) inventado por Lee De Forest en 1906 fue el primer dispositivo amplificador práctico y revolucionó la radio. [55] Los transmisores de tubo de vacío reemplazaron a los transmisores de chispa e hicieron posible cuatro nuevos tipos de modulación : radiotelegrafía de onda continua (CW), modulación de amplitud (AM) alrededor de 1915 que podía llevar audio (sonido), modulación de frecuencia (FM) alrededor de 1938 que tenía mucho calidad de audio mejorada y banda lateral única (SSB).
El tubo de vacío amplificador usaba energía de una batería o tomacorriente para aumentar la potencia de la señal de radio, por lo que los receptores de tubo de vacío podrían ser más sensibles y tener un rango de recepción mayor que los receptores no amplificados anteriores. El aumento de la potencia de salida de audio también les permitió manejar altavoces en lugar de auriculares , lo que permitió que más de una persona escuchara. Los primeros altavoces se produjeron alrededor de 1915. Estos cambios hicieron que la escucha de la radio evolucionara explosivamente de un pasatiempo solitario a un pasatiempo social y familiar popular. El desarrollo de la modulación de amplitud (AM) y los transmisores de tubo de vacío durante la Primera Guerra Mundial, y la disponibilidad de tubos receptores baratos después de la guerra, prepararon el escenario para el inicio de la radiodifusión AM , que surgió espontáneamente alrededor de 1920.
La llegada de la radiodifusión aumentó enormemente el mercado de receptores de radio y los transformó en un producto de consumo. [100] [101] [102] A principios de la década de 1920, el receptor de radio era un dispositivo prohibitivo de alta tecnología, con muchas perillas y controles crípticos que requerían habilidad técnica para operar, alojado en una caja de metal negro poco atractivo, con una hoja de hojalata. altavoz de bocina que suena . [101] En la década de 1930, el receptor de transmisión se había convertido en un mueble, alojado en una atractiva caja de madera, con controles estandarizados que cualquiera podía usar, que ocupaba un lugar respetado en la sala de estar de la casa. En las primeras radios, los circuitos sintonizados múltiples requerían que se ajustaran varias perillas para sintonizar una nueva estación. Una de las innovaciones de facilidad de uso más importantes fue la "sintonización con un solo botón", que se logra uniendo mecánicamente los condensadores de sintonización. [101] [102] El altavoz de cono dinámico inventado en 1924 mejoró enormemente la respuesta de frecuencia de audio con respecto a los altavoces de bocina anteriores, permitiendo que la música se reproduzca con buena fidelidad. [101] [103] Se agregaron características de conveniencia como grandes diales iluminados, controles de tono , sintonización de botones, indicadores de sintonización y control automático de ganancia (AGC). [100] [102] El mercado de receptores se dividió en los receptores de transmisión y los receptores de comunicaciones mencionados anteriormente , que se utilizaban para comunicaciones de radio bidireccionales, como la radio de onda corta . [104]
Un receptor de tubo de vacío requería varias fuentes de alimentación a diferentes voltajes, que en las primeras radios se suministraban con baterías separadas. En 1930 se desarrollaron tubos rectificadores adecuados y las costosas baterías fueron reemplazadas por una fuente de alimentación de transformador que funcionaba con la corriente de la casa. [100] [101]
Los tubos de vacío eran voluminosos, costosos, tenían una vida útil limitada, consumían una gran cantidad de energía y producían mucho calor residual, por lo que la cantidad de tubos que un receptor podía tener económicamente era un factor limitante. Por lo tanto, el objetivo del diseño del receptor de tubos era obtener el máximo rendimiento de un número limitado de tubos. Los principales diseños de receptores de radio, que se enumeran a continuación, se inventaron durante la era de los tubos de vacío.
Un defecto de muchos de los primeros receptores de tubos de vacío era que las etapas amplificadoras podían oscilar, actuar como un oscilador y producir corrientes alternas de radiofrecuencia no deseadas. [26] [105] [106] Estas oscilaciones parásitas se mezclaron con la portadora de la señal de radio en el tubo detector, produciendo notas de ritmo audibles ( heterodinas ); molestos silbidos, gemidos y aullidos en el altavoz. Las oscilaciones fueron causadas por retroalimentación en los amplificadores; una ruta de retroalimentación importante fue la capacitancia entre la placa y la rejilla en los primeros triodos . [105] [106] Esto fue resuelto por el circuito Neutrodyne , y más tarde el desarrollo del tetrodo y pentode alrededor de 1930.
Edwin Armstrong es una de las figuras más importantes en la historia de los receptores de radio, y durante este período inventó la tecnología que continúa dominando las comunicaciones por radio. [8] Fue el primero en dar una explicación correcta de cómo funcionaba el tubo triodo de De Forest. Inventó el oscilador de retroalimentación , el receptor regenerativo , el receptor superregenerativo , el receptor superheterodino y la modulación de frecuencia moderna (FM).
Los primeros receptores de tubo de vacío
El primer tubo de vacío amplificador, el Audion , un triodo crudo , fue inventado en 1906 por Lee De Forest como un detector más sensible para receptores de radio, agregando un tercer electrodo al detector de diodo termoiónico, la válvula Fleming . [55] [76] [107] [108] No se usó ampliamente hasta que se reconoció su capacidad de amplificación alrededor de 1912. [55] Los primeros receptores de tubo, inventados por De Forest y construidos por aficionados hasta mediados de la década de 1920, usaban un solo Audion que funcionaba como un detector de fugas en la red que rectificaba y amplificaba la señal de radio. [76] [105] [109] Había incertidumbre sobre el principio de funcionamiento del Audion hasta que Edwin Armstrong explicó sus funciones de amplificación y demodulación en un artículo de 1914. [110] [111] [112] El circuito detector de fugas de red también se usó en receptores regenerativos , TRF y superheterodinos tempranos (abajo) hasta la década de 1930.
Para dar suficiente potencia de salida para hacer funcionar un altavoz, se necesitaban 2 o 3 etapas Audion adicionales para la amplificación de audio. [76] Muchos de los primeros aficionados solo podían permitirse un solo receptor de tubo y escuchaban la radio con auriculares, por lo que los primeros amplificadores de tubo y altavoces se vendían como complementos.
Además de una ganancia muy baja de aproximadamente 5 y una vida útil corta de aproximadamente 30 a 100 horas, el Audion primitivo tenía características erráticas porque no se evacuó por completo. De Forest creía que la ionización del aire residual era clave para el funcionamiento de Audion. [113] [114] Esto lo convirtió en un detector más sensible [113] pero también hizo que sus características eléctricas variaran durante el uso. [76] [107] A medida que el tubo se calentaba, el gas liberado de los elementos metálicos cambiaba la presión en el tubo, cambiando la corriente de la placa y otras características, por lo que se requerían ajustes de polarización periódicos para mantenerlo en el punto de funcionamiento correcto. Cada etapa de Audion generalmente tenía un reóstato para ajustar la corriente del filamento y, a menudo, un potenciómetro o interruptor de múltiples posiciones para controlar el voltaje de la placa. El reóstato de filamento también se utilizó como control de volumen. Los numerosos controles complicaban el funcionamiento de los receptores Audion multitubo.
En 1914, Harold Arnold de Western Electric e Irving Langmuir de GE se dieron cuenta de que el gas residual no era necesario; el Audion podría operar solo por conducción de electrones. [107] [113] [114] Evacuaron los tubos a una presión más baja de 10 −9 atm, produciendo los primeros triodos de "vacío fuerte". Estos tubos más estables no requerían ajustes de polarización, por lo que las radios tenían menos controles y eran más fáciles de operar. [107] Durante la Primera Guerra Mundial se prohibió el uso de radios civiles, pero en 1920 comenzó la producción a gran escala de radios de tubo de vacío. Los tubos "blandos" con evacuación incompleta se utilizaron como detectores durante la década de 1920 y luego se volvieron obsoletos.
Receptor regenerativo (autodino)
El receptor regenerativo , inventado por Edwin Armstrong [115] en 1913 cuando era un estudiante universitario de 23 años, [116] fue muy utilizado hasta finales de la década de 1920, especialmente por aficionados que solo podían permitirse una radio de un solo tubo. Hoy en día, las versiones de transistores del circuito todavía se utilizan en algunas aplicaciones económicas como los walkie-talkies . En el receptor regenerativo, la ganancia (amplificación) de un tubo de vacío o transistor aumenta mediante el uso de regeneración ( retroalimentación positiva ); parte de la energía del circuito de salida del tubo se realimenta al circuito de entrada con un circuito de retroalimentación . [26] [105] [117] [118] [119] Los primeros tubos de vacío tenían una ganancia muy baja (alrededor de 5). La regeneración no solo podía aumentar enormemente la ganancia del tubo, en un factor de 15.000 o más, sino que también aumentaba el factor Q del circuito sintonizado, disminuyendo (agudizando) el ancho de banda del receptor en el mismo factor, mejorando enormemente la selectividad . [105] [117] [118] El receptor tenía un control para ajustar la retroalimentación. El tubo también actuó como detector de fugas en la red para rectificar la señal de AM. [105]
Otra ventaja del circuito era que el tubo podía oscilar y, por lo tanto, un solo tubo podía servir como oscilador de frecuencia de batido y como detector, funcionando como un receptor heterodino para hacer audibles las transmisiones de radiotelegrafía de CW . [105] [117] [118] Este modo se denominó receptor autodino . Para recibir radiotelegrafía, la retroalimentación se incrementó hasta que el tubo oscilaba, luego la frecuencia de oscilación se sintonizó a un lado de la señal transmitida. La señal de la portadora de radio entrante y la señal de oscilación local se mezclaron en el tubo y produjeron un tono heterodino audible (latido) en la diferencia entre las frecuencias.
Un diseño ampliamente utilizado fue el circuito Armstrong , en el que una bobina "tickler" en el circuito de la placa se acopló a la bobina de sintonización en el circuito de rejilla, para proporcionar la retroalimentación. [26] [105] [119] La retroalimentación fue controlada por una resistencia variable, o alternativamente moviendo los dos devanados físicamente más cerca para aumentar la ganancia del bucle, o separándolos para reducirla. [117] Esto se hizo mediante un transformador de núcleo de aire ajustable llamado variómetro (varioacoplador). En ocasiones, los detectores regenerativos también se utilizaron en receptores TRF y superheterodinos.
Un problema con el circuito regenerativo era que cuando se usaba con grandes cantidades de regeneración, la selectividad (Q) del circuito sintonizado podía ser demasiado aguda, atenuando las bandas laterales de AM, distorsionando así la modulación de audio. [120] Este era generalmente el factor limitante en la cantidad de retroalimentación que se podía emplear.
Un inconveniente más grave era que podía actuar como un transmisor de radio inadvertido , produciendo interferencia ( RFI ) en receptores cercanos. [26] [105] [117] [118] [119] [121] recepción En AM, para conseguir la mayor sensibilidad del tubo se hizo funcionar muy cerca de la inestabilidad y podría fácilmente romper en oscilación (y en CW recepción hizo oscilar), y la señal de radio resultante fue irradiada por su antena de cable. En receptores cercanos, la señal del regenerativo latiría con la señal de la estación que se recibe en el detector, creando molestos heterodinos , ( latidos ), aullidos y silbidos. [26] Los primeros regenerativos que oscilaban fácilmente fueron llamados "bloopers" y fueron declarados ilegales en Europa. Una medida preventiva fue utilizar una etapa de amplificación de RF antes del detector regenerativo, para aislarlo de la antena. [105] [117] Pero a mediados de la década de 1920, los principales fabricantes de radios ya no vendían "regens". [26]
Receptor superregenerativo
Este fue un receptor inventado por Edwin Armstrong en 1922 que usaba la regeneración de una manera más sofisticada, para dar una mayor ganancia. [106] [122] [123] [124] [125] Se usó en algunos receptores de onda corta en la década de 1930, y se usa hoy en algunas aplicaciones baratas de alta frecuencia como walkie-talkies y abre- puertas de garaje .
En el receptor regenerativo, la ganancia de bucle del bucle de retroalimentación era menor que uno, por lo que el tubo (u otro dispositivo amplificador) no oscilaba, pero estaba cerca de la oscilación, lo que daba una gran ganancia. [122] En el receptor superregenerativo, la ganancia de bucle se hizo igual a uno, por lo que el dispositivo amplificador en realidad comenzó a oscilar, pero las oscilaciones se interrumpieron periódicamente. [106] [9] Esto permitió que un solo tubo produjera ganancias de más de 10 6 .
Receptor TRF
El receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF) , inventado en 1916 por Ernst Alexanderson , mejoró tanto la sensibilidad como la selectividad mediante el uso de varias etapas de amplificación antes del detector, cada una con un circuito sintonizado , todas sintonizadas con la frecuencia de la estación. [26] [106] [9] [126] [127]
Un problema importante de los primeros receptores TRF era que eran complicados de sintonizar, porque cada circuito resonante tenía que ajustarse a la frecuencia de la estación antes de que la radio funcionara. [26] [106] En los receptores TRF posteriores, los condensadores de sintonización estaban unidos mecánicamente ("agrupados") en un eje común para que pudieran ajustarse con una perilla, pero en los primeros receptores las frecuencias de los circuitos sintonizados no se podían hacer para "Pista" lo suficientemente bien como para permitir esto, y cada circuito sintonizado tenía su propia perilla de sintonización. [9] [128] Por lo tanto, los mandos debían girarse simultáneamente. Por esta razón, la mayoría de los equipos TRF no tenían más de tres etapas de RF sintonizadas. [105] [120]
Un segundo problema fue que las múltiples etapas de radiofrecuencia, todas sintonizadas en la misma frecuencia, eran propensas a oscilar, [128] [129] y las oscilaciones parásitas se mezclaban con la portadora de la estación de radio en el detector, produciendo heterodinos audibles ( notas de ritmo ). , silbidos y gemidos, en el altavoz. [26] [105] [106] [127] Esto fue resuelto por la invención del circuito Neutrodyne (abajo) y el desarrollo del tetrodo más tarde alrededor de 1930, y un mejor blindaje entre etapas. [127]
Hoy en día, el diseño TRF se utiliza en algunos chips receptores integrados (IC). Desde el punto de vista de los receptores modernos, la desventaja del TRF es que la ganancia y el ancho de banda de las etapas de RF sintonizadas no son constantes, sino que varían a medida que el receptor está sintonizado en diferentes frecuencias. [129] Dado que el ancho de banda de un filtro con un Q dado es proporcional a la frecuencia, a medida que el receptor se sintoniza a frecuencias más altas, su ancho de banda aumenta. [11] [15]
Receptor de neutrodinos
El receptor Neutrodyne, inventado en 1922 por Louis Hazeltine , [130] [131] era un receptor TRF con un circuito "neutralizador" agregado a cada etapa de amplificación de radio para cancelar la retroalimentación y evitar las oscilaciones que causaban los molestos silbidos en el TRF. [26] [106] [127] [128] [132] En el circuito de neutralización, un capacitor alimentaba una corriente de retroalimentación desde el circuito de la placa al circuito de la red, que estaba 180 ° fuera de fase con la retroalimentación que causó la oscilación, y la canceló. . [105] El Neutrodyne fue popular hasta el advenimiento de los tubos de tetrodo baratos alrededor de 1930.
Receptor de reflejos
El receptor réflex , inventado en 1914 por Wilhelm Schloemilch y Otto von Bronk, [133] y redescubierto y extendido a múltiples tubos en 1917 por Marius Latour [133] [134] y William H. Priess, fue un diseño utilizado en algunas radios económicas de la década de 1920 [135] que disfrutó de un resurgimiento en las pequeñas radios de tubo portátiles de la década de 1930 [136] y nuevamente en algunas de las primeras radios de transistores en la década de 1950. [106] [137] Es otro ejemplo de un circuito ingenioso inventado para aprovechar al máximo un número limitado de dispositivos activos. En el receptor réflex, la señal de RF del circuito sintonizado pasa a través de uno o más tubos amplificadores o transistores, demodulados en un detector , luego la señal de audio resultante pasa nuevamente a través de las mismas etapas de amplificación para la amplificación de audio. [106] Las señales de radio y audio separadas presentes simultáneamente en el amplificador no interfieren entre sí, ya que están en frecuencias diferentes, lo que permite que los tubos amplificadores realicen una "doble función". Además de los receptores reflex de un solo tubo, algunos receptores TRF y superheterodinos tenían varias etapas "reflejadas". [137] Las radios réflex eran propensas a un defecto llamado "reproducción continua", lo que significaba que el volumen del audio no bajaba a cero cuando se bajaba el control de volumen. [137]
Receptor superheterodino
El superheterodino , inventado en 1918 durante la Primera Guerra Mundial por Edwin Armstrong [7] cuando estaba en el Cuerpo de Señales , es el diseño utilizado en casi todos los receptores modernos, excepto en algunas aplicaciones especializadas. [8] [9] [10] Es un diseño más complicado que los otros receptores anteriores, y cuando se inventó requería de 6 a 9 tubos de vacío, lo que lo coloca más allá del presupuesto de la mayoría de los consumidores, por lo que inicialmente se usó principalmente en aplicaciones comerciales. y estaciones de comunicaciones militares. [12] Sin embargo, en la década de 1930, el "superhet" había reemplazado a todos los demás tipos de receptores anteriores.
In the superheterodyne, the "heterodyne" technique invented by Reginald Fessenden is used to shift the frequency of the radio signal down to a lower "intermediate frequency" (IF), before it is processed.[11][12][13] Its operation and advantages over the other radio designs in this section are described above in The superheterodyne design
By the 1940s the superheterodyne AM broadcast receiver was refined into a cheap-to-manufacture design called the "All American Five", because it only used five vacuum tubes: usually a converter (mixer/local oscillator), an IF amplifier, a detector/audio amplifier, audio power amplifier, and a rectifier. This design was used for virtually all commercial radio receivers until the transistor replaced the vacuum tube in the 1970s.
Semiconductor era
The invention of the transistor in 1947 revolutionized radio technology, making truly portable receivers possible, beginning with transistor radios in the late 1950s. Although portable vacuum tube radios were made, tubes were bulky and inefficient, consuming large amounts of power and requiring several large batteries to produce the filament and plate voltage. Transistors did not require a heated filament, reducing power consumption, and were smaller and much less fragile than vacuum tubes.
Portable radios
Companies first began manufacturing radios advertised as portables shortly after the start of commercial broadcasting in the early 1920s. The vast majority of tube radios of the era used batteries and could be set up and operated anywhere, but most did not have features designed for portability such as handles and built in speakers. Some of the earliest portable tube radios were the Winn "Portable Wireless Set No. 149" that appeared in 1920 and the Grebe Model KT-1 that followed a year later. Crystal sets such as the Westinghouse Aeriola Jr. and the RCA Radiola 1 were also advertised as portable radios.[138]
Thanks to miniaturized vacuum tubes first developed in 1940, smaller portable radios appeared on the market from manufacturers such as Zenith and General Electric. First introduced in 1942, Zenith's Trans-Oceanic line of portable radios were designed to provide entertainment broadcasts as well as being able to tune into weather, marine and international shortwave stations. By the 1950s, a "golden age" of tube portables included lunchbox-sized tube radios like the Emerson 560, that featured molded plastic cases. So-called "pocket portable" radios like the RCA BP10 had existed since the 1940s, but their actual size was compatible with only the largest of coat pockets.[138]
The development of the bipolar junction transistor in the early 1950s resulted in it being licensed to a number of electronics companies, such as Texas Instruments, who produced a limited run of transistorized radios as a sales tool. The Regency TR-1, made by the Regency Division of I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) of Indianapolis, Indiana, was launched in 1951. The era of true, shirt-pocket sized portable radios followed, with manufacturers such as Sony, Zenith, RCA, DeWald, and Crosley offering various models.[138] The Sony TR-63 released in 1957 was the first mass-produced transistor radio, leading to the mass-market penetration of transistor radios.[139]
Digital technology
The development of integrated circuit (IC) chips in the 1970s created another revolution, allowing an entire radio receiver to be put on an IC chip. IC chips reversed the economics of radio design used with vacuum tube receivers. Since the marginal cost of adding additional amplifying devices (transistors) to the chip was essentially zero, the size and cost of the receiver was dependent not on how many active components were used, but on the passive components; inductors and capacitors, which could not be integrated easily on the chip.[19] The development of RF CMOS chips, pioneered by Asad Ali Abidi at UCLA during the 1980s and 1990s, allowed low power wireless devices to be made.[141]
The current trend in receivers is to use digital circuitry on the chip to do functions that were formerly done by analog circuits which require passive components. In a digital receiver the IF signal is sampled and digitized, and the bandpass filtering and detection functions are performed by digital signal processing (DSP) on the chip. Another benefit of DSP is that the properties of the receiver; channel frequency, bandwidth, gain, etc. can be dynamically changed by software to react to changes in the environment; these systems are known as software-defined radios or cognitive radio.
Many of the functions performed by analog electronics can be performed by software instead. The benefit is that software is not affected by temperature, physical variables, electronic noise and manufacturing defects.[142]
Digital signal processing permits signal processing techniques that would be cumbersome, costly, or otherwise infeasible with analog methods. A digital signal is essentially a stream or sequence of numbers that relay a message through some sort of medium such as a wire. DSP hardware can tailor the bandwidth of the receiver to current reception conditions and to the type of signal. A typical analog only receiver may have a limited number of fixed bandwidths, or only one, but a DSP receiver may have 40 or more individually selectable filters. DSP is used in cell phone systems to reduce the data rate required to transmit voice.
In digital radio broadcasting systems such as Digital Audio Broadcasting (DAB), the analog audio signal is digitized and compressed, typically using a modified discrete cosine transform (MDCT) audio coding format such as AAC+.[143]
"PC radios", or radios that are designed to be controlled by a standard PC are controlled by specialized PC software using a serial port connected to the radio. A "PC radio" may not have a front-panel at all, and may be designed exclusively for computer control, which reduces cost.
Some PC radios have the great advantage of being field upgradable by the owner. New versions of the DSP firmware can be downloaded from the manufacturer's web site and uploaded into the flash memory of the radio. The manufacturer can then in effect add new features to the radio over time, such as adding new filters, DSP noise reduction, or simply to correct bugs.
A full-featured radio control program allows for scanning and a host of other functions and, in particular, integration of databases in real-time, like a "TV-Guide" type capability. This is particularly helpful in locating all transmissions on all frequencies of a particular broadcaster, at any given time. Some control software designers have even integrated Google Earth to the shortwave databases, so it is possible to "fly" to a given transmitter site location with a click of a mouse. In many cases the user is able to see the transmitting antennas where the signal is originating from.
Since the Graphical User Interface to the radio has considerable flexibility, new features can be added by the software designer. Features that can be found in advanced control software programs today include a band table, GUI controls corresponding to traditional radio controls, local time clock and a UTC clock, signal strength meter, a database for shortwave listening with lookup capability, scanning capability, or text-to-speech interface.
The next level in integration is "software-defined radio", where all filtering, modulation and signal manipulation is done in software. This may be a PC soundcard or by a dedicated piece of DSP hardware. There will be a RF front-end to supply an intermediate frequency to the software defined radio. These systems can provide additional capability over "hardware" receivers. For example, they can record large swaths of the radio spectrum to a hard drive for "playback" at a later date. The same SDR that one minute is demodulating a simple AM broadcast may also be able to decode an HDTV broadcast in the next. An open-source project called GNU Radio is dedicated to evolving a high-performance SDR.
All-digital radio transmitters and receivers present the possibility of advancing the capabilities of radio.[144]
Ver también
- Shortwave radio
- Dielectric wireless receiver
- Digital Audio Broadcast (DAB)
- Direct conversion receiver
- Minimum detectable signal
- Radiogram (furniture)
- Receiver (information theory)
- Selectivity (electronic)
- Sensitivity (electronics)
- Noise (electronics)
- Distortion
- Satnav
- Telecommunication
- Television receive-only
- Tuner (radio)
Referencias
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