receptor de radio

La intensidad de la señal de las ondas de radio disminuye a medida que se alejan del transmisor, por lo que una emisora ​​solo puede recibirse dentro de un rango limitado. Este rango depende de la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor, el ruido atmosférico e interno , así como de cualquier obstáculo geográfico, como colinas entre el transmisor y el receptor. Las ondas de radio de la banda AM viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra, por lo que las emisoras de radio AM pueden recibirse de forma fiable a cientos de kilómetros de distancia. Debido a su mayor frecuencia, las señales de radio de la banda FM no pueden viajar mucho más allá del horizonte visual, lo que limita la distancia de recepción a unos 64 km  , y pueden verse bloqueadas por colinas entre el transmisor y el receptor. Sin embargo, la radio FM es menos susceptible a las interferencias del ruido de radio ( RFI , esféricos , estática) y tiene mayor fidelidad ; mejor respuesta en frecuencia y menor distorsión de audio que la AM. Por lo tanto, en los países que aún emiten radio AM, la música seria generalmente solo se emite en emisoras de FM, y las emisoras de AM se especializan en noticias , programas de entrevistas y radio deportiva . Al igual que las señales FM, las señales DAB se transmiten por línea de visión , por lo que las distancias de recepción están limitadas por el horizonte visual a unos 30-40  millas (48-64  km).

Las ondas de radio de múltiples transmisores viajan por el aire simultáneamente sin interferir entre sí y son recibidas por la antena. Estas ondas pueden separarse en el receptor debido a que tienen frecuencias diferentes ; es decir, la onda de radio de cada transmisor oscila a una frecuencia distinta. Para aislar la señal de radio deseada, el filtro de paso de banda permite el paso de la frecuencia de la transmisión deseada y bloquea las señales de todas las demás frecuencias.

El filtro paso banda consta de uno o más circuitos resonantes (circuitos sintonizados). El circuito resonante se conecta entre la entrada de la antena y tierra. Cuando la señal de radio entrante se encuentra en la frecuencia de resonancia, el circuito resonante presenta una alta impedancia y la señal de la emisora ​​deseada se transmite a las siguientes etapas del receptor. En todas las demás frecuencias, el circuito resonante presenta una baja impedancia, por lo que las señales en estas frecuencias se conducen a tierra.

• Ancho de banda y selectividad : Véanse los 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 debe dejar pasar una banda de frecuencias, no solo una frecuencia única. La banda de frecuencias recibida por el receptor se llama banda de paso (PB) , y el ancho de la banda de paso en kilohertz se llama ancho de banda (BW) . El ancho de banda del filtro debe ser lo suficientemente amplio como para permitir el paso de las bandas laterales sin distorsión, pero lo suficientemente estrecho como para bloquear cualquier transmisión interferente 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 , determinado por el filtro. En los receptores modernos se suelen utilizar filtros de cristal de cuarzo , resonadores cerámicos o de ondas acústicas superficiales (SAW), que tienen una selectividad más precisa en comparación con las redes de circuitos sintonizados de condensador-inductor.
• Sintonización : Para seleccionar una emisora ​​específica, la radio se sintoniza a la frecuencia del transmisor deseado. La radio cuenta con un dial o una pantalla digital que muestra la frecuencia 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 el mando de sintonización, cambia la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado . Cuando la frecuencia de resonancia coincide con la frecuencia del transmisor de radio, el circuito sintonizado oscila en sincronía, transmitiendo la señal al resto del receptor.

El espectro de frecuencia de una señal de radio típica de un transmisor de radio AM o FM. Consiste en un componente (C) en la frecuencia de la onda portadora f _C , con la modulación contenida en bandas de frecuencia estrechas llamadas bandas laterales (SB) justo por encima y por debajo de la portadora.

Cómo el filtro paso banda selecciona una única señal de radio S1 de entre todas las señales de radio S2, S3... recibidas por la antena. De arriba abajo, los gráficos muestran la tensión de la antena aplicada al filtro V _in , la función de transferencia del filtro T y la tensión a la salida del filtro V _out en función de la frecuencia f . La función de transferencia T es la cantidad de señal que pasa a través del filtro en cada frecuencia.${\displaystyle V_{\text{out}}(f)={\text{T}}(f)V_{\text{in}}(f)}$

La potencia de las ondas de radio captadas por una antena receptora disminuye con el cuadrado de su distancia a la antena transmisora. Incluso con los potentes transmisores utilizados en las estaciones de radiodifusión, si el receptor se encuentra a más de unos pocos kilómetros del transmisor, la potencia interceptada por la antena del receptor es muy pequeña, quizás tan baja como picovatios o femtovatios . Para aumentar la potencia de la señal recuperada, un circuito amplificador utiliza energía eléctrica de baterías o de la toma de corriente para aumentar la amplitud (voltaje o corriente) de la señal. En la mayoría de los receptores modernos, los componentes electrónicos que realizan la amplificación son transistores .

Los receptores suelen tener varias etapas de amplificación: la señal de radio del filtro paso banda se amplifica para que tenga la potencia suficiente para alimentar el demodulador; luego, la señal de audio del demodulador se amplifica para que tenga la potencia suficiente para alimentar el altavoz. El grado de amplificación de un receptor de radio se mide mediante un parámetro llamado 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 determinada relación señal/ruido . Dado que es fácil amplificar una señal al 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 enmascarar una señal de radio débil.

Después de que la señal de radio se filtra y amplifica, el receptor debe extraer la señal de modulación portadora de información de la onda portadora de radiofrecuencia modulada . Esto se realiza mediante un circuito llamado demodulador ( detector ). Cada tipo de modulación requiere un tipo diferente de demodulador.

• Un receptor AM que recibe una señal de radio ( modulada en amplitud ) utiliza un demodulador AM.
• Un receptor de FM que recibe una señal modulada en frecuencia utiliza un demodulador de FM.
• Un receptor FSK que recibe modulación por desplazamiento de frecuencia (utilizada 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 se amplifica para aumentar su intensidad y, posteriormente, un transductor la convierte de nuevo a un formato comprensible para el usuario . Una señal de audio , que representa sonido, como en una emisora ​​de radio, se convierte en ondas sonoras mediante un auricular o altavoz . Una señal de vídeo , que representa imágenes en movimiento, como en un televisor , se convierte en luz mediante una pantalla . Los datos digitales , como en un módem inalámbrico , se introducen en un ordenador o microprocesador que interactúa con los usuarios.

demodulación AM

El tipo de demodulación más fácil de entender es la demodulación AM, utilizada 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 . Esto se logra mediante un circuito llamado detector de envolvente (véase el circuito) , que consta de un diodo (D) con un condensador de derivación (C) conectado a 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 aplicara directamente al altavoz, esta señal no se puede convertir en sonido, porque las excursiones de audio son iguales a ambos lados del eje, promediándose a cero, lo que resultaría en un movimiento neto nulo del diafragma del altavoz. (B) Cuando esta señal se aplica como entrada V _I al detector, el diodo (D) conduce corriente en una dirección pero no en la dirección opuesta, permitiendo así el paso de pulsos de corriente solo en un 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 pico es proporcional a la señal de audio. (C) El condensador de derivación (C) se carga mediante los pulsos de corriente del diodo, y su voltaje sigue los picos de los pulsos, la envolvente de la onda de audio. Realiza una función de suavizado ( filtrado de paso bajo ), eliminando los pulsos portadores de radiofrecuencia y permitiendo que la señal de audio de baja frecuencia pase a través de la carga R _L. La señal de audio se amplifica y se aplica a auriculares o a un altavoz.

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 la distancia al transmisor de radio, su potencia y las condiciones de propagación a lo largo del camino de las ondas de radio. ^{[ 3 ]} La intensidad de la señal recibida de un transmisor dado varía con el tiempo debido a las condiciones cambiantes de propagación del camino por el que pasa la onda de radio, como la interferencia multitrayecto ; esto se llama desvanecimiento . ^{[ 3 ] [ 4 ]} En un receptor AM, la amplitud de la señal de audio del detector y el volumen del sonido son proporcionales a la amplitud de la señal de radio, por lo que el desvanecimiento causa variaciones en el volumen. Además, a medida que el receptor se sintoniza entre estaciones fuertes y débiles, el volumen del sonido del altavoz variaría drásticamente. Sin un sistema automático para manejarlo, en un receptor AM, sería necesario 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 casos el demodulador requiere un cierto rango de amplitud de señal para funcionar correctamente. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Una amplitud de señal insuficiente provocará un aumento del ruido en el demodulador, mientras que una amplitud de señal excesiva provocará la sobrecarga (saturación) de las etapas del amplificador, causando 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 dar el nivel de señal óptimo para la demodulación. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 3 ]} Esto se llama control automático de ganancia (AGC). El AGC se puede comparar con el mecanismo de adaptación a la oscuridad en el ojo humano ; al entrar en una habitación oscura, la ganancia del ojo aumenta por la apertura del iris. ^{[ 3 ]} En su forma más simple, un sistema AGC consta de 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. ^{[ 5 ]} Esto se aplica como una señal de control a una etapa de amplificación anterior, para controlar su ganancia. En un receptor superheterodino, el AGC generalmente se aplica al amplificador de FI , y puede haber un segundo bucle 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 mediante un sistema de retroalimentación similar.

En el tipo más simple de receptor de radio, llamado receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF) , las tres funciones anteriores se realizan consecutivamente: ^{[ 4 ]} (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 un amplificador de radiofrecuencia (RF) para aumentar su fuerza a un nivel suficiente para excitar 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 utiliza en algunas aplicaciones, presenta desventajas prácticas que lo hacen inferior al receptor superheterodino que se describe a continuación, el cual se utiliza en la mayoría de las aplicaciones. ^{[ 4 ]} Los inconvenientes se derivan 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, al sintonizar el receptor TRF a diferentes frecuencias, su ancho de banda varía. Lo más importante es que la creciente congestión del espectro radioeléctrico exige que los canales de radio estén muy próximos entre sí en frecuencia. Es extremadamente difícil construir filtros que operen en frecuencias de radio con un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para separar estaciones de radio muy próximas. Los receptores TRF generalmente deben tener muchas etapas de sintonización en cascada para lograr una selectividad adecuada.

El receptor superheterodino , inventado en 1918 por Edwin Armstrong ^{[ 6 ],} es el diseño utilizado en casi todos los receptores modernos ^{[ 7 ] [ 4 ] [ 8 ] [ 9 ]} excepto en algunas aplicaciones especializadas.

En el superheterodino, la señal de radiofrecuencia de la antena se desplaza a una frecuencia intermedia (FI) más baja antes de ser procesada. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} La señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla con una señal no modulada generada por un oscilador local (OL) 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 batido . Esta frecuencia más baja se llama frecuencia intermedia (FI). La señal FI también tiene las bandas laterales de modulación que transportan la información que estaba presente en la señal de RF original. La señal FI pasa a través de etapas de filtro y amplificación, ^{[ 8 ]} luego se demodula en un detector, recuperando la modulación original.

El receptor es fácil de sintonizar; para recibir una frecuencia diferente, basta con modificar la frecuencia del oscilador local. Las etapas posteriores al mezclador operan a una frecuencia intermedia (FI) fija, por lo que no es necesario ajustar el filtro paso banda de FI a diferentes frecuencias. Esta frecuencia fija permite que los receptores modernos utilicen sofisticados filtros de FI de cristal de cuarzo , resonador cerámico u onda acústica superficial (SAW) con factores Q muy elevados , lo que mejora la selectividad.

El filtro de RF en la etapa de entrada del receptor es necesario para evitar la interferencia de cualquier señal de radio en la frecuencia imagen . Sin un filtro de entrada, el receptor puede recibir señales de RF entrantes en dos frecuencias diferentes. ^{[ 14 ] [ 9 ] [ 13 ] [ 15 ]} El receptor puede diseñarse para recibir en cualquiera de estas dos frecuencias; si el receptor se diseña 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 imagen; dado que estas 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 se maneja mediante las múltiples etapas de sintonización precisa de los amplificadores de frecuencia intermedia, que no necesitan cambiar su sintonización. ^{[ 9 ]} Este filtro no necesita una gran selectividad, pero como el receptor se sintoniza a diferentes frecuencias, debe "seguir" 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 señales fuertes fuera de banda.

Para lograr un buen rechazo de imagen y selectividad, muchos receptores superheterodinos modernos utilizan dos frecuencias intermedias; esto se denomina superheterodino de doble conversión . ^{[ 4 ]} La señal de RF entrante se mezcla primero con una señal de oscilador local en el primer mezclador para convertirla a una frecuencia FI alta, para permitir un filtrado eficiente de la frecuencia imagen, luego esta primera FI se mezcla con una segunda señal de oscilador local en un segundo mezclador para convertirla a una frecuencia FI baja para un buen filtrado de paso de banda. Algunos receptores incluso utilizan 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 necesita operar 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 gestionar. La sintonización se simplifica en comparación con un diseño TRF multietapa, y solo dos etapas necesitan seguir el rango de sintonización. La amplificación total del receptor se divide entre tres amplificadores a diferentes frecuencias: el amplificador de RF, el de FI y el de audio. Esto reduce los problemas de retroalimentación y oscilaciones parásitas que se presentan en receptores donde la mayoría de las etapas de amplificación operan a la misma frecuencia, como en el receptor TRF. ^{[ 10 ]}

La ventaja más importante es que se puede lograr una mejor selectividad al realizar el filtrado en la frecuencia intermedia más baja. ^{[ 4 ] [ 8 ] [ 10 ]} Uno de los parámetros más importantes de un receptor es su ancho de banda , la banda de frecuencias que acepta. Para rechazar estaciones interferentes cercanas o 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 la frecuencia intermedia más baja${\displaystyle f_{\text{SI}}}$en lugar de la frecuencia de la señal de radio original${\displaystyle f_{\text{RF}}}$, se puede lograr un ancho de banda más estrecho. La radiodifusión moderna de FM y televisión, los teléfonos celulares y otros servicios de comunicaciones, con sus anchos de canal estrechos, serían imposibles sin el superheterodino. ^{[ 8 ]}