En esta sección iré añadiendo una muestra de las radios clásicas que colecciono, por si son del interés de algún aficionado a la radio. Es notable el desempeño de las válvulas que eran empleadas en estas tecnologías, puesto que permitían trabajar con rangos dinámicos altos sin introducir apenas distorsión armónica e intermodulación. De hecho, la tecnología valvular sigue empleándose actualmente en rádares, en tubos de onda progresiva como etapa de potencia en traspondedores satelitales y terrenos, y en electrónica de sonido.
A partir de aquí, esta conferencia ya se está convirtiendo en un asunto personal. Me había unido al personal del Ministerio del Aire en 1936, en gran parte porque el Comité Tizard deseaba ver qué se podría hacer con las técnicas infrarrojas como un medio para detectar bombarderos entrantes, un problema defensivo, pero inevitablemente también había pensado en los problemas del bombardero. Y yo había sugerido que el bombardero podría ser capaz de encontrar ciudades mediante la detección de la radiación infrarroja que emiten.
Cuando en 1939 me habían trasladado a la Inteligencia Aérea, no fue fácil para un civil subalterno desafiar las afirmaciones de varios oficiales superiores de que los bombarderos podían encontrar sus objetivos en Alemania, pero no pude resistirme a hacer la pregunta de cómo era, si la navegación aérea era tan buena como se afirmaba, ¿qué tantos de nuestros bombarderos en vuelos de práctica en 1938 y 1939 habían volado a colinas en Inglaterra? Y, por lo tanto, un aspecto de la Luftwaffe que observé con más atención fue su posible desarrollo de nuevas técnicas de radio para dirigir sus bombarderos, más allá de tomar rodamientos de radio en B.B.C. y otros transmisores; estos los habíamos hecho inutilizables por dispositivos tales como un sistema de balizas de «enmascaramiento» o «meacons».
En los primeros meses de 1940 recibí dos pistas. La primera llegó, no por lo general, durante un almuerzo. Esto fue con el Sr. A. E. Woodward-Nutt, quien había sido en parte responsable de mi traslado a Inteligencia. Me mencionó que había habido un informe de los franceses sobre los alemanes que habían establecido un sistema de transmisores de haz para bombardear objetivos en Francia, pero que nadie se tomó muy en serio. Sin embargo, había pedido a nuestros expertos en radio en Farnborough que estimaran la nitidez que ahora podría lograr un haz de radio, y se había sorprendido de lo extraño que podría ser esto. Dado que algunos de nuestros mejores científicos se sorprendieron más tarde de manera similar, vale la pena explicar el punto, que de hecho es de interés científico adecuado. Existe un teorema bien conocido en la difracción óptica relacionado con la nitidez de un haz transmitido a través de una abertura que establece, aproximadamente, que la nitidez angular del haz es aproximadamente igual a la longitud de onda empleada dividida por el ancho de la apertura. Para tomar un ejemplo específico, supongamos que los alemanes desean navegar sus bombarderos a un objetivo en Londres no más de una milla cuadrada. En el rango de Cherbour g, aproximadamente 150 millas, esto implica un ancho angular de 1 en 150. De acuerdo con el teorema óptico que he mencionado, el ancho de una antena en Cherburgo que se necesitaría para transmitir un haz de este tipo en una longitud de onda de 10 metros sería de 10 metros x 150 = 1500 metros. Muchos científicos, tanto antes como después de la guerra, habrían descartado el asunto allí. Afortunadamente, yo mismo ya había encontrado el problema algunos años antes, y había encontrado la falacia en el argumento. Es bastante cierto que si uno tratara de hacer un haz real lo suficientemente estrecho, se requeriría una antena muy grande; pero se puede lograr el mismo efecto utilizando dos haces mucho más anchos provenientes de dos antenas mucho más pequeñas, y superándolos para producir una zona equiseñal estrecha en la región de superposición, utilizando exactamente la técnica que la Compañía Lorenz había patentado en 1907. El juicio de igualdad de las señales provenientes de los haces derecho e izquierdo es tan sensible que se puede detectar fácilmente un desplazamiento de una centésima parte del ancho de un haz. Por lo tanto, las antenas pueden ser cada una centésima parte del ancho requerido para hacer una viga verdaderamente estrecha, o unos 15 metros, de modo que si se van a colocar una al lado de la otra, el ancho total no debe ser más de 30 metros. Para el beneficio de los teóricos ópticos, puedo expresar la diferencia como entre el poder de resolución de Rayleigh de un sistema cuando se está tratando de distinguir entre dos objetos simultáneamente, y la precisión con la que ese sistema puede ser utilizado para establecer la posición de un solo objeto en su campo.
La segunda pista en la primavera de 1940 vino de prisioneros que hablaban juntos sobre el rendimiento de un dispositivo que llamaron 1X-Ger!it 1 o ‘X-Apparatus’. De las pocas pistas que dieron pensé que esto debía depender de uno de dos principios. El primero fue uno en el que la aeronave envió pulsos que se reflejaban en objetos en el suelo, para dibujar un mapa de rádar mediante el cual el observador pudiera reconocer características geográficas como costas y ciudades. El segundo fue un sistema de cruce de haces utilizando el principio de Lorenz que acabo de discutir. Luego, en marzo de 1940, llegó otra pista, en forma de una entrada en un papel recuperado de un avión derribado de la formación de bombardeo alemana Kampf Geschwader 26. Esto decía ‘Ayuda a la navegación: radiobalizas que trabajan en el plan de balizas A. Adicionalmente a partir de las 0600 horas baliza Dlihnen. Baliza de luz después del anochecer. Radiobaliza Knickebein desde las 0600 horas en 315 grados’. La mención de una dirección para Knickebein sugería que, cualquiera que fuera el tipo de radiobaliza que fuera, debía emitir alguna forma de radiación transmitida, y naturalmente la asocié con mis pensamientos anteriores. Entonces di una advertencia en mayo de que los alemanes probablemente habían desarrollado alguna forma de sistema de haz de intersección para el bombardeo ciego. La evidencia final se produjo el 5 de junio de 1940, cuando interceptamos un mensaje al Director de Señales de Flieger Korps IV: «Knickebein, Kleve, ist auf punkt 53 grad 24 minuten Nord und ein grad West eingerichtet». El punto al que se hace referencia en el mensaje se encuentra aproximadamente en la Great North Road, justo al sur de Retford, y el ‘Kleve’ del mensaje es la ciudad en el oeste de Alemania famosa como el hogar de Ana de Cleves. Si había un transmisor Knickebein en Cleves, la siguiente pregunta era la longitud de onda en la que funcionaba. Aquí fuimos ayudados involuntariamente por un prisionero, quien le dijo a uno de sus compañeros de prisión que incluso si capturamos un avión intacto no descubriríamos el equipo de radio que empleaba. Esto solo podía significar que era un equipo ya instalado en aviones bombarderos alemanes, pero que aparentemente estaba allí para otro propósito. El equipo posiblemente podría ser el Lorenz blind landing receiver. El sistema Lorenz había sido desarrollado a partir de la patente de 1907 para proporcionar un haz de corto alcance para definir la trayectoria de radio a una pista de aterrizaje, y anteriormente se había asumido que este era el único propósito del receptor de aterrizaje ciego instalado en aviones alemanes. Llamé por teléfono al Departamento de Radio de Farnborough y hablé con el líder del escuadrón Cox Walker, quien había analizado el receptor, y le pregunté si había algo inusual al respecto. Al principio dijo ‘No’, pero luego agregó ‘hay algo que hay una cosa: parece mucho más sensible de lo que necesitas solo para el aterrizaje a ciegas’. Eso fue suficiente.
El sistema Lorenz funcionó en longitudes de onda de unos 10 metros, y sin embargo, la distancia de Cleves a Retford es de aproximadamente 300 millas. Así que parecía que, en contraste con lo que la mayoría de nuestros expertos en radio habían pensado, las longitudes de onda de 10 metros se doblarían lo suficiente alrededor de la Tierra para proporcionar señales útiles a un alcance de 300 millas, al menos si el receptor estuviera a una altura de bombardeo de 20,000 pies. El resto de la historia a menudo se ha escrito en libros sobre la guerra: simplemente he esbozado aquí los puntos clave de interés de navegación que posteriormente afectarían nuestro propio pensamiento.
Comienzo aquí una serie de artículos destinados a explicar de una forma práctica el funcionamiento del receptor superheterodino a transistores con componentes discretos, que era popularmente usado hace unos años, cuando aún no se implementaba la filosofía actual (consistente en dejar todas los procesados de la señal de radiofrecuencia necesarios para obtener la señal de audio a uno o varios circuitos integrados especializados con su circuitería subsidiaria).
Para demostrar de una manera ilustrada estos procesados me ceñiré a un receptor superheterodino de AM y de FM didáctico obtenido del mercado.
En este primer artículo de la serie describiré a grandes rasgos el receptor FM superheterodino clásico a transistores. Para ello me centraré primeramente en el diagrama de bloques de dicho receptor, representado en la parte superior de la imagen de más arriba.
El primer procesado que se le hace a la señal recibida en la antena es pasarla por un amplificador de RF, que sirve para aumentar el nivel de potencia de la señal, sin hacerlo de una manera muy selectiva. Se trata de que mediante el condensador variable que lleva implícito en sí mismo el mecanismo de arrastre de la frecuencia del oscilador local y la frecuencia de sintonía de dicho amplificador de RF, se disponga de una carga resonante en el colector del transistor del amplificador de RF a la frecuencia dentro del espectro de FM que queremos escuchar, entregando esta señal (que incluye varios canales) amplificada a la etapa mezcladora. El mecanismo de arrastre del condensador variable sirve para que ambas frecuencias (frecuencia resonante del amplificador de RF y frecuencia del oscilador local) estén relacionadas entre sí de tal manera que su diferencia sea la frecuencia intermedia, que en FM es de 10,7 MHz. (En AM se usa de frecuencia intermedia el valor de 455 KHz).
El oscilador local, por su parte, es un bloque que genera una señal senoidal pura, que se emplea, junto con la señal de RF amplificada, como entradas del transistor que, funcionando en régimen no lineal, actúa como mezclador. Para ello este transistor está polarizado entre la región activa y la de saturación, en una región de su plano intensidad-tensión tal que la característica de transferencia admite aproximadamente un desarrollo en serie de Taylor de orden 2 (el amplificador de RF ideal habría de tener una característica de transferencia con desarrollo en serie de Taylor de orden 1). Esto significa que el transistor mezclador entrega en su colector un batido de las dos señales (RF y OL), y por lo tanto, con el espectro de la señal de RF centrado en (Fol+Frf) y (Fol-Frf), que son los dos productos de intermodulación de segundo orden de ambas señales (también aparecen los armónicos de segundo orden de Fol y de Frf). El objeto de mover el espectro a la frecuencia intermedia Ffi = Fol-Frf = 10,7 MHz es disponer de la señal centrada en una frecuencia donde sí podemos ser selectivos en el filtrado y amplificación, por trabajar a una frecuencia mucho más baja que la frecuencia de RF, Frf, que en la FM comercial oscila entre los 87,5 MHz y los 108 MHz. Nos quedamos con estrictamente el ancho de banda de la señal transmitida y centramos la resonancia de nuestro amplificador de frecuencia intermedia en los 10,7 Mhz.
Cualquier amplificador sintonizado presenta uno o varios polos, en el plano complejo de la frecuencia generalizada s = sigma + j2pif, con parte imaginaria próxima a la frecuencia pura j2piFr de resonancia, así como un número de ceros por lo general igual al de polos para un filtro pasobanda o banda-eliminada. Ello significa que si nos ceñimos al módulo de la función de transferencia en la parte imaginaria de la frecuencia generalizada, la respuesta en frecuencia del filtro es resonante a la frecuencia j2piFr, presentando dicha respuesta en frecuencia una subida o caida lineal en gráfica logarítmica de 20 decibelios por década y polo antes y después de los puntos de caida a 3 decibelios. Cuantos más polos y ceros implementen nuestras bobinas y condensadores en la respuesta en frecuencia, más abrupto será nuestro filtro, y mejores propiedades de filtrado poseerá. Ahora bien, nosotros no podemos tener nunca un filtrado en el que haya calidad indefinida. La calidad está limitada por el cociente entre la frecuencia de resonancia y el ancho de banda, o rango de frecuencia en el que la respuesta del filtro es no inferior a 3 decibelios por debajo del valor de la transferencia máxima. Este número, denominado factor de calidad Q del filtro, nos indica cuál es el nivel de pérdidas resistivas que tiene el mismo, de modo que una Q mayor significa que nuestro resonador o filtro tiene bobinas y condensadores más parecidos a los ideales que no tienen pérdidas. Es decir, a mayor frecuencia de resonancia de un filtro podemos filtrar un mayor ancho de banda de señal, y lo opuesto para un valor menor de frecuencia de resonancia, para un factor de calidad Q dado en magnitud fija. De esta manera, al bajar la frecuencia de nuestra onda a un valor mucho menor, como es la frecuencia intermedia, podemos filtrar y amplificar ciñéndonos exclusivamente a lo que estrictamente ocupa la señal, bloqueando así el ruido térmico blanco gaussiano que se distribuye en la parte exterior de esta banda amplificada en torno a Ffi, y obteniendo calidad de señal, dejando sólo pasar el ruido de la banda. Es ésta la razón de que el uso de un receptor superheterodino de lugar a una mayor sensibilidad y a una mayor selectividad en frecuencia de las que obtenemos con un receptor regenerativo normal.
Después del primer amplificador de frecuencia intermedia hay otro amplificador de frecuencia intermedia, operando a la misma frecuencia de 10,7 MHz, y a la salida de éste tenemos el demodulador. En este caso, se usa un demodulador Foster-Seeley (indicado para FM) y que describiré con profundidad en artículos posteriores de la serie. La señal demodulada sirve de entrada para una realimentación de su nivel, de tal manera que este nivel promediado (el de la señal demodulada), para cuya obtención se emplea un filtro paso bajo RC, actúa sobre un diodo varicap incluido en la red de realimentación del oscilador local, dando así lugar a un oscilador controlado por tensión (controlado por la tensión demodulada, que es proporcional a la frecuencia instantánea de la señal FM). Así se implementa el control automático de frecuencia, que sirve para estabilizar la frecuencia del oscilador local en relación a las variaciones lentas de frecuencia de la señal FM, siguiéndolas para obtener una recepción perfectamente síncrona. Se han de seguir variaciones lentas de la frecuencia de la señal recibida parejas, por ejemplo, al desplazamiento Doppler que tenemos cuando nuestro receptor se mueve en relación al transmisor por hallarse a bordo de un vehículo. A la salida del demodulador Foster-Seeley sólo resta pasar la señal demodulada por un amplificador de audio, presentándose después en el altavoz.
En el video que incluyo más abajo presento dos señales del receptor de FM, más concretamente una de ellas es la señal senoidal pura que se obtiene del oscilador local y que se aplica en el emisor del transistor mezclador. La otra señal que presento es la señal que se pincha a la entrada del demodulador Foster-Seeley, después de las dos etapas amplificadoras de frecuencia intermedia. Se observa que es mucho mayor la frecuencia del oscilador que la frecuencia intermedia, y que la transformada FFT de la señal senoidal varía su raya espectral a medida que vamos moviendo la rosca del condensador de sintonía.
En los locos años 20 del siglo pasado, estaba recién inventado el receptor superheterodino a válvulas (su creador fue el ingeniero Edwing Armstrong), con el que se conseguía una mucho mayor calidad en el audio en relación a las radios regenerativas que previamente se comercializaban. Los receptores ganaban así en selectividad en frecuencia, en sensibilidad, y en eliminación del ruido. La moda para quien podía permitírselo era adquirir una de aquellas preciosas radios, que recibían el nombre de radio catedral o radio capilla, dado el carácter gótico que tenían en su apariencia. Eran populares los modelos de las marcas Philco y Crosley en América, y aquí en Europa Philips, que ya había sido fundada en el año 1891. Por su cuidada estética se usaban tanto de objeto decorativo, como de elemento de entretenimiento, dado que estaban concebidas como verdaderas preciosidades, hoy en día muy cotizadas si están en buen estado. Es muy difícil, por no decir casi imposible, encontrar hoy una radio catedral de aquellos tiempos (¡¡¡han pasado más de 100 años!!!) a válvulas y con el mueble intacto (que además no estaba hecho de baquelita sino de madera).
Yo me he conformado con esta chulísima radio capilla superheterodina a transistores (tecnología de estado sólido, más moderna que la tecnología a válvulas de vacío), de la casa Philips, de los años 80, que se hizo como réplica de aquellas preciosas radios y que es decorativa como ella sola. Pero, ay, no tiene el chisporroteo de las válvulas, la parte romántica del asunto se diluye un poco, en fin, siempre nos quedará París….
En este video que he grabado el otro día, estuve viendo con el osciloscopio la señal de audio de un receptor de radio FM, con el volumen casi al máximo. Se puede observar perfectamente que el amplificador de audio entra en su rango de funcionamiento no-lineal, pasando a saturarse, cuando el volumen topea la máxima tensión que puede caer entre el condensador de filtro y masa.
En ese instante el sonido se distorsiona, por no ser amplificado, al alcanzar la tensión ese máximo valor que decía antes. Al final del video aumento la amplitud de la escala en el eje vertical y paso al modo combinado, mostrando abajo la transformada FFT, que es el estimador espectral empleado. Todo estimador espectral parte del concepto de que nosotros no podemos ver la señal desde menos infinito hasta más infinito en la pantalla del osciloscopio, sino que lo que vemos es la señal en tiempo enventanada con un pulso cuadrado de anchura el período de la señal de sincronismo del eje horizontal. Esto en frecuencia no da la transformada de Fourier de la señal, que es lo que idealmente querríamos obtener, sino la convolución en frecuencia de una función sin pi.w/ pi.w, o sea sinc, con la transformada de Fourier de la señal total en tiempo. Además de ello se aprecia que el espectro estimado no tiene exclusivamente las componentes banda base de la onda (algo similar a un triángulo centrado en el cero de la frecuencia) sino como cabía esperar aparece distorsión armónica, precisamente por estarse saturando el amplificador y no funcionar en su régimen lineal.
El tema de utilizar distintas transformaciones de la señal en tiempo para ver su composición en frecuencia no resulta extremadamente difícil de explicar. Una función temporal, que en definitiva es un vector en su espacio vectorial, se puede expresar según distintas bases de vectores. En este caso tenemos la base de los impulsos en tiempo, en función de los que podemos expresar con una integral el vector (una integral es un caso límite de una combinación lineal de vectores), y también tenemos la base de los impulsos en frecuencia. Cada impulso en frecuencia, que es un vector o señal, si lo expresamos en la base de los impulsos en tiempo tenemos una señal senoidal, que es una frecuencia pura. El espectro de una señal no es otra cosa que ver la señal o vector en otra base de vectores linealmente independientes distinta. Derivado de esta filosofía aparecen propiedades como el teorema de Parcival, que dice que la energía en frecuencia (La norma al cuadrado del vector en la base de la frecuencia) de una señal coincide con la energía en tiempo (La norma al cuadrado del vector en la base del tiempo). Ésto no es difícil de asimilar si tenemos en cuenta que el vector es en ambos casos el mismo y que en ambos casos usamos el mismo producto escalar, esto es, la integral entre menos infinito y más infinito del producto de la señal por el conjugado de esa misma señal, ya sea en tiempo o en frecuencia, y que arroja como resultado la norma al cuadrado o energía de la señal. En todo momento estamos hablando de un único vector que es la señal, pero a este vector lo podemos referenciar respecto a distintas bases. Lo mismo ocurre con otras transformadas matemáticas que se emplean en telecomunicaciones, como la transformada de Laplace, empleada para señales en las que existe un amortigüamiento, la transformada Wavelet, que emplea como vectores de la base las ondículas o señales chirp, y que permiten elegir la granularidad en nuestro análisis en frecuencia, o la transformada Z.
Así, en 1914 se habían concebido tres importantes técnicas de radio para establecer las demoras de aeronaves, y ahora se trataba de determinar cuáles serían adecuadas para los fines de la guerra. las primeras pruebas serias vinieron en las incursiones del Zeppelín en Inglaterra por la noche, que comenzó el 19 de enero de 1915. Las primeras incursiones dependían de la observación visual de los rasgos de la superficie, complementados por el cálculo de los muertos. Los errores consiguientes mostraron rápidamente la necesidad de nuevas ayudas, y se establecieron estaciones de radiogoniometría en Borkum y en Nordholz, que más tarde se complementaron con otras en Sylt y cerca de Bruges.
El sistema tenía graves defectos; los primeros fueron debidos a fenómenos de propagación inesperados, principalmente debido a las reflexiones de la capa de Heaviside o ionosfera, y si se comprobaba la precisión de las demoras, aparecían errores de más de 50 millas. La segunda falla del sistema, dependiente como era de las estaciones terrestres D/F, era que la aeronave tenía que transmitir, revelando así sus posiciones tanto al enemigo como a sus propias bases; y otra falla fue que la capacidad del sistema estaba muy limitada porque las estaciones terrestres sólo podían localizar una aeronave a la vez. Aún así, von Buttlar-Brandenfels, el único comandante de zepelín que voló durante la guerra, concluyó que la navegación por radio era mucho mejor que la basada en observaciones astronómicas.
Los Zepelines no lograron hacer un daño serio a Inglaterra, y sus bajas (tanto por la mala navegación como por la defensa contraria) fueron tan graves que en 1917 los alemanes cambiaron a los aviones para el ataque. Al principio, en el verano de 1917, estos ataques fueron de día; pero en el otoño de ese año los principales ataques se habían cambiado a la noche, donde la navegación básica seguía siendo la lectura de mapas, el uso de la luz de la luna y la selección de objetivos fácilmente identificables por su proximidad a las costas o estuarios.
En cuanto al desarrollo británico de las técnicas de navegación por radio, teníamos muchas pruebas de los errores involucrados, de las intercepciones, de las «fijaciones» de radio alemanas en los zepelines, que podrían compararse con sus posiciones reales registradas por nuestras defensas terrestres. Esta evidencia mostró que deberíamos necesitar un sistema mucho mejor si, como se pretendía en 1918, íbamos a intentar bombardear Berlín; pero se pensó que ya se habían logrado las mejoras necesarias en la técnica, por lo que la precisión debería ser del orden de 5-7 millas.
La guerra terminó antes de que esta creencia tan optimista pudiera ser puesta a prueba.
El desarrollo de la aviación, con sus velocidades mucho más altas, tanto de las aeronaves mismas como de los vientos, y con el frecuente oscurecimiento de los rasgos de la superficie de la Tierra, dio un énfasis completamente nuevo a la importancia de la navegación, y especialmente de la prontitud en la determinación de la posición con respecto a un objetivo o una base, en condiciones que normalmente eran mucho más estrictas y perturbadas que las correspondientes a la navegación marina.
Incluso los globos y las aeronaves requerían algún tipo de instrumentación; y los aviones, con sus altas aceleraciones de giro, mostraban graves defectos en los instrumentos que habían sido adaptados del uso marítimo.
Además de la aparente dirección de la gravedad, esencial para establecer un horizonte artificial, la aeronave podría desviarse salvajemente de la vertical con serias consecuencias como el error de giro al norte del compás magnético. Para 1913, la importancia de la instrumentación era tal que la Real Sociedad Aeronáutica dedicó el primer vuelo cuya lecture dedicó Wilbur Wright al asunto, basada en los trabajos del gran diseñador de instrumentos Horace Darwin.
Y cuando estalló la guerra en 1914, en Farnborough se reunieron los mejores científicos para trabajar en la instrumentación de las aeronaves, incluyendo a Keith Lucas, quien analizó el error de giro hacia el norte, Lindemann (luego Lord Cherwell) quien encontró cómo recuperar una aeronave de un giro, y muchos otros. Mucho antes de 1914 algunos hombres habían comenzado a visualizar formas de usar ondas de radio como medio para establecer las posiciones de las naves o aviones.
En 1907, Bellini y Tosi produjeron un diseño de dos antenas receptoras cruzadas en ángulos rectos, con las que las direcciones de las ondas entrantes se podían deducir de las magnitudes de las corrientes que inducían en las antenas; así se podía establecer la dirección de la aeronave o del barco que estaba emitiendo las ondas.
Ese mismo año, Scheller, de la Compañía Lorenz, patentó un sistema de dos antenas transmisoras usando un transmisor común que iba cambiado de una a otra la transmisión, de manera que una enviaba un patrón repetitivo de caracteres Morse como A (. -) que era
complementario al enviado por la otra, en este caso N (- . ) . Si el receptor estuviera en un punto adecuado, recogería las señales de ambas antenas con la misma fuerza, y como los N encajarían exactamente en los huecos de las A, el operador simplemente oiría un tono continuo. Pero si el receptor se apartara de este punto a otro más alejado del campo de la transmisión de la primera antena, el operador oiría la A más fuerte que la N y viceversa. Este dispositivo resulta ser una forma sorprendentemente sensible de posicionar el receptor en la línea de señales iguales de las dos antenas y, como veremos, iba a
convertirse en una aportación vital en 1940. El sistema fue probado en barcos en el año 1914, y en 1917 Kiebitz en Alemania hizo pruebas en aviones; pero con relativamente grandes longitudes de onda (350 y 550m), que provocaron dificultades con la propagación y con las antenas dando lugar a diferencias de percepción que causaron resultados contradictorios. Aún así, Buchwald apuntó en 1920 que una nave a 85 km de distancia era capaz de ubicarse lateralmente con una precisión de 400 metros. También en 1907, la Compañía Telefunken patentó la «brújula de radio» que comprendía 32 antenas direccionales, cada una de las cuales irradiaba principalmente a su punto apropiado de la brújula. El transmisor de radio iba cambiado sucesivamente a cada antena a intervalos de un segundo, comenzando en el norte después de una señal de identificación. Por lo tanto, un operador con un receptor sólo tenía que contar el número de segundos después de la señal de identificación antes de que la señal de la brújula alcanzara su máxima intensidad, para establecer su orientación de la brújula desde el lugar de transmisión; esta operación se facilitó aún más al dar al operador un cronómetro cuya aguja giraba completamente en 32 segundos, que iniciaba en
el final de la señal de identificación y luego se detenía cuando la señal de la brújula llegaba al máximo.
Uno de los pasos esenciales en las operaciones de la guerra es saber donde está tu enemigo, para que puedas hacer contacto con él o evitarlo, lo mismo se aplica a cualquier fuerza amiga con la que puede comunicarse. Y paralelamente a estos pasos, también debe establecer su posición en relación con cualquier peligro natural que pueda tener que evitar o explotar.
Así que si puede establecer las posiciones de usted, sus amigos, el enemigo, y los peligros en relación con la superficie de la Tierra, puede utilizar la información para controlar sus propios movimientos como desee: alternativamente, puede a veces por uno u otro medio establecer directamente la posición del enemigo en relación con la suya, y proceder en consecuencia (un proceso igualmente útil en la búsqueda de un lugar donde descansar o en la evasión). Aunque algunas de las técnicas se remontan al principio de la navegación humana, y antes de eso a los «sentidos especiales» de los animales, se desarrollaron intensamente nuevos métodos bajo las presiones militares de la Segunda Guerra Mundial.
Por lo tanto, es sobre esa fase que propongo principalmente hablar; pero para ponerla en perspectiva veamos brevemente algunos episodios anteriores. Hay una leyenda china que dice que el emperador Hoang, que reinó alrededor del 2400 a.C., logró perseguir a su enemigo a través de una espesa niebla dirigiendo sus tropas con la ayuda de un dispositivo direccional que Lord Kelvin, que diseñó la brújula de tarjeta seca, usó en el La Marina Real y la Marina Mercante durante muchos años. Posiblemente ha sido cualquier cosa menos una brújula. Pero el Dr. Joseph Needham ha demostrado que la brújula ya estaba ciertamente en uso en China en los primeros siglos d.C., la primera vez que se aclaró. La descripción de una brújula en China (o en cualquier otro lugar del mundo) es no anterior al año 1088 D. C.; al mismo tiempo se ha prestado atención a una descripción de la preparación y uso de una brújula en el manual chino de tecnología militar del año 1044 D. C. La «cuchara» de piedra lodosa que la precedió puede, incidentalmente, ser usada como una brújula; y puede ser más que una especulación fantasiosa sugerir que la forma de cuchara se derivó de la señal de San Miguel, «La Osa Mayor». El Dr. Needham también ha demostrado que la leyenda del compás se ha confundido con el hecho de que, tal vez desde el año 1000 A.C. y ciertamente en el 255 D.C., los chinos usaban un carro de dos ruedas con dirección sur como referencia. El puntero era impulsado de manera diferente por el engranaje de las ruedas, de modo que se mantenía una dirección constante mientras el carro atravesaba cualquier sucesión de curvas. Se ha utilizado un dispositivo que sigue principios similares en este siglo en tanques militares, ya que una brújula magnética no funcionará dentro de un casco de acero.
Mientras la velocidad de las fuerzas armadas en el mar o en la tierra fuera menor de 30 a 40 millas por hora, las diferencias en la capacidad de navegación entre los enemigos rara vez tuvo efectos espectaculares en la batalla. La marinería era, por supuesto, vital, y esto en combinación con el uso de James Cook de la carta de San Lorenzo, que contribuyó en gran medida a la conquista de Quebec, donde el gobernador francés, Vaudreuil, se quejó de que ‘el enemigo ha pasado 60 naves de guerra no nos atrevemos a arriesgar una nave de 100 toneladas de noche y de día’.
Si bien los efectos rara vez eran espectaculares, eran sin embargo profundos en el sentido de que, junto con los avances en la tecnología militar, la navegación hacía posible la dominación de la mayor parte del mundo por las naciones de Europa Occidental. Y hubo otro efecto en que las exigencias de navegantes como Drake y Frobisher de mejores instrumentos llevaron al desarrollo de la pericia en la fabricación de instrumentos en Londres, que fue uno de los ingredientes importantes del auge de la ciencia en el siglo XVII, ejemplificado por la formación de la Royal Society en 1660; ésta a su vez reaccionó en general sobre la tecnología de la guerra, con los efectos que hemos visto particularmente desde 1914.
Y los problemas de la navegación del Atlántico y del mundo experimentados en el siglo XVIII por la Marina Real, enfatizados por la pérdida del escuadrón de Sir Cloudesly Shovdl en 1707 en las Scillies, llevó a la solución del problema de la determinación de la longitud por las tablas lunares de Tobias Mayer y el cronómetro de Harrison, que benefició a todos los navegantes, tanto navales como mercantiles. El comandante Waters ha llamado la atención sobre el hecho de que la navegación a menudo determinaba los lugares de las acciones navales antes de que se resolviera el problema de la longitud.
Era relativamente fácil determinar la latitud, por lo que un comandante que buscara una caída segura en tierra, y conociendo su latitud, navegaría a la latitud correcta lejos del mar, y luego navegaría hacia el este o el oeste según fuera necesario. Un comandante adversario que quisiera interceptarlo sería capaz de hacer una suposición razonable acerca de dónde acechar.
Incluyo en esta entrada imágenes y esquemas relativos a los sistemas de navegación hiperbólicos, extraidos del libro «La radionavegación», publicado en 1982. La imagen que precede representa las coberturas mundiales del sistema Loran C en el año de la publicación.
La segunda imagen representa las coberturas mundiales del sistema Decca en el citado año.
La siguiente imagen es un estudio comparativo de las diferentes prestaciones de los sistemas de radionavegación, teniendo en cuenta distintos aspectos.
En la imagen que sigue se representan las antenas de espira manual y fija usadas en radiogoniometría. En la página de la derecha se aprecia la fotografía de un radiogoniómetro manual y un radiogoniómetro portátil.
La imagen que precede este párrafo representa un receptor multibanda típico para la recepción de la señal Consol.
Otro tanto podemos decir de la siguiente foto, que representa un receptor Decca (téngase en cuenta que estas imágenes se corresponden con las implementaciones de estos sistemas cuando corría el año 1982.
Esta imagen representa la antena y receptor usados en un radiogoniómetro de calidad.
En la siguiente fotografía se puede identificar la evolución que ha tenido el sistema receptor de Loran. Se ha pasado de un TRC con los pulsos representados mediante rayos catódicos a un sistema de lectura digital.
A continuación se esquematiza la propagación que suele haber con este tipo de sistemas a baja frecuencia, que incluye una onda ionosférica y una onda directa y de superficie.
Para ya finalizar se muestra el cronograma típico de los pulsos recibidos mediante el receptor Loran.
Créditos de las imágenes: La radionavegación. C. Thomas. Editorial Noray, 1982.
En esta entrada incluiré algunas imágenes y gráficas relativas al sistema de posicionamiento hiperbólico Decca, primo hermano del sistema Consol.
La anterior imagen representa las bandas de frecuencias que fueron asignadas para la operación del sistema Decca en todo el mundo, establecidas en la Conferencia de Atlantic City de 1947.
La segunda imagen es un mapa que representa la cadena Decca británica, con las hipérbolas y los carriles que surgen de ellas
La imagen anterior es una representación en diagrama de bloques del receptor empleado en el sistema de posicionamiento Decca.
La imagen que precede este párrafo representa la respuesta en frecuencia del filtro empleado en el receptor Decca para poder trabajar con distintas estaciones a la vez. Para conseguir este filtro de cristal con la precisa selectividad en frecuencia era preciso tallar el cristal de una manera concreta.
El anterior esquema representa las frecuencias empleadas en la cadena Decca del Támesis.
La imagen que precede representa la sensibilidad de la frecuencia resonante en la pieza de cristal en relación a la variación de la temperatura.
Se representan en la anterior imagen los carriles en los que quedaba dividido el espacio de navegación por mediación de las hipérbolas Decca.
Lo mismo ocurre en la imagen que le sigue, que también representa los carriles, en particular la red de identificación.
El esquema anterior es un diagrama de bloques del circuito destinado a identificar la cadena Decca de la que se recibe la señal, en el supuesto de que haya varias operando en la zona donde se encuentra el navío o avión.
Para ya finalizar, se representa en la anterior fotografía el sistema de presentación de Decca.
Créditos de las imágenes: Revista General de Marina. Estado Mayor de la Armada. Edición de septiembre de 1949.
Inventor e ingeniero en la era dorada de la radio, Edwin Armstrong fue el padre del oscilador Armstrong, caracterizado por un bucle de realimentación positiva conseguido con un circuito tanque LC; del receptor regenerativo; de la modulación de frecuencia (FM); y del receptor superheterodino, en el que se pasa la señal sintonizada desde radiofrecuencia hasta una frecuencia intermedia donde se puede filtrar y amplificar con calidad, eliminando casi todo el ruido y entregándosela al detector para la demodulación y la posterior amplificación de la señal de audio resultante.
Pero en esta ocasión me centraré en el receptor regenerativo. Este receptor fue realmente uno de los primeros, por no decir el primero, que se comercializó de una manera eficaz, con un funcionamiento razonable. Las antiguas radios a válvulas se construían inicialmente siguiendo este esquema, si bien ya más avanzado el siglo XX, tras una azarosa evolución entre los receptores de radiofrecuencia sintonizada, los receptores regenerativos, los neutrodinos y los réflex, pasaron a realizarse siguiendo el esquema superheterodino, que requería más válvulas, así como la presencia de los transformadores o trafos, pero ofrecía una mayor calidad en la recepción. Cuando las válvulas fueron sustituidas por los transistores, que no requieren altas tensiones para su polarización, se siguieron empleando estos esquemas. De hecho, en las radios comerciales se sigue empleando el esquema superheterodino, sólo que cada vez hay más tendencia a concentrar toda la lógica en un circuito integrado especializado para radio, sea cual sea la modulación.
La ventaja del receptor regenerativo es que, con la salvedad de unos pocos cambios, se puede emplear tanto para la demodulación de señales AM como la de señales FM. Ésto es debido a la naturaleza de los procesos que son acometidos. El primer paso es la recepción de la señal de RF. Si queremos una señal de la banda de Onda Media, lógicamente habremos de emplear una bobina enrollada en torno de un núcleo de ferrita en paralelo con un condensador variable como antena y filtro de sintonía. Si sin embargo nos interesa la banda de la FM comercial, habremos de emplear una antena de FM y un circuito tanque LC con valores de L y C más pequeños para la sintonía. En cualquiera de los dos casos, una vez sintonizada la señal, se pasa a la etapa osciladora. Esta etapa es en realidad un amplificador con realimentación positiva, polarizado en la región activa y cerca de la saturación. La señal de realimentación positiva se entrega en una de las bobinas de sintonía, con lo que el transistor de esta etapa pasa a su colector y debido a la no-linealidad, tres señales cuyos espectros están centrados en la continua, en la frecuencia de RF, y en el doble de la frecuencia de RF, aunque como es lógico, aparecen algunas componentes más, dado que esta tensión de colector es de nuevo realimentada hacia la entrada. (En realidad aparecerán los espectros de la señal centrados en los armónicos de la frecuencia de RF).
Después de este paso inicial, ya tenemos en banda base el espectro de la señal, con lo que ahora interesará filtrarlo pasobajo, hacer la demodulación, y amplificar el audio. Y es aquí donde viene uno de los puntos clave del receptor. Para lograr que el receptor responda tanto a señales FM como a señales AM, a continuación se emplea un filtro RC derivador. El hecho de derivar la señal se debe a que la derivada de una señal FM es una señal AM, y la derivada de una señal AM es otra señal AM. De este modo, da igual lo que tengamos en el colector de la etapa osciladora, de seguro que tras el filtro RC tendremos una señal AM. Por lo tanto restará extraer de ella la envolvente y amplificar el resultado. Lo primero se suele hacer con un diodo de silicio, o bien con un transistor con la base al mismo potencial que el colector, que funciona como diodo. Finalmente, la amplificación de audio, en la que también se filtra pasobajo, puede realizarse con un montaje push-pull con dos transistores funcionando en clase AB en contrafase, o bien con una etapa amplificadora en clase A, o con un circuito integrado amplificador de audio LM386, nos es indiferente. La señal amplificada se presenta en unos auriculares o en un altavoz.
En el anterior video se puede observar la captura de la señal de audio (azul) y de la salida del rectificador (rojo) mediante un osciloscopio de tarjeta. Cuando se observa la FFT de las dos señales, con la misma escala en el eje vertical, se puede observar que desde la rectificación a la salida hay una amplificación de 20 decibelios.
Por otra parte en el segundo video se presenta la salida de audio (azul) y la de la etapa osciladora (rojo). Si se comparan en el dominio de la frecuencia, se puede advertir que entre la señal banda base de ambas hay una diferencia de 50 decibelios. Es ésta la amplificación resultante entre la señal en el colector de la etapa osciladora y el nivel de la señal de salida.
En esta entrada me limitaré a incluir los excelentes videos sobre la antigua estación Sonne-Consol de Sevilla, realizados por otras personas amigas de la radioafición, los dos primeros a cargo de Aena, y el tercero por Txetxu Rubio.
Está uno cayendo de viejo casi, y cada día que pasa la tecnología nos da nuevas sorpresas. Hace 35 años, si querías ser radioaficionado necesitabas una licencia para transmitir en banda ciudadana, y un equipo que podía llegar a ser costoso para aquellos tiempos, a poder ser con una buena antena, que te brindase una buena calidad de señal, una emisora para la modulación, transmisión y recepción, un radiogoniómetro para detectar la dirección de la que procede la onda que sintonizas, y un escáner de frecuencia para poder barrer el espectro. No era barato. Lo que son las cosas. Hoy he pasado casi toda la tarde conectándome mediante algunas aplicaciones cliente a distintos servidores en los que una red de radioaficionados, a nivel global, comparten de manera digitalizada la integridad del espectro que reciben sus antenas. Puedes ir sintonizando y demodulando por software todas las señales que son captadas en las distintas bandas, e ir adaptando la demodulación y todos los parámetros del filtro de frecuencia intermedia, que son simulados por software, para tener en tu ordenador, por ejemplo, las señales que un radioaficionado puede sintonizar en su estación en Groenlandia. Todo un universo en tu ordenador gracias a Internet.
Comparto el enlace de la aplicación web que permite practicar el diexismo de manera online, sin necesidad de descargar ningún programa.
¿Qué mecanismo se emplea para que desde una estación de un radioaficionado se pueda transmitir la señal captada en una de sus antenas o bien simplemente servir las muestras de señal recibida al ordenador para que éste las procese y podamos sintonizar las emisoras? Este mecanismo es una radio definida por software (SDR).
En la anterior figura se representa este dispositivo. Se trata de un receptor hardware muy simplificado, conectado a una antena a su entrada. Lo primero que se hace es amplificar y filtrar paso banda la señal de radiofrecuencia. A continuación se obtienen las componentes en fase y en cuadratura de esta señal pasobanda. Para ello se multiplica la señal de RF amplificada con una señal sinusoidal, y respectivamente con una versión desplazada 90 grados de esa misma señal (podrían por ejemplo ser una señal seno y una señal coseno, de una frecuencia determinada). Las señales resultantes de ambos productos (que no son sino la traslación a banda base de ambas componentes de la señal pasobanda) son pasadas por sendos filtros pasobajo, en ambas ramas circuitales, con lo que tenemos las señales I(t) y Q(t) en forma de audio sin demodular. Para finalizar, estas señales se pasan por un conversor analógico-digital, que convierte las formas de onda continuas en muestras codificadas mediante conjuntos de bits. Ésto es lo que recibe el ordenador, que por software se encarga de hacer las operaciones matemáticas que restan, dependiendo de la señal concreta que estemos sintonizando y del tipo de modulación empleado en ella. Estas muestras codificadas también pueden ser servidas a Internet, de forma que un usuario remoto pueda abrir un flujo de paquetes de datos accesibles mediante la IP y el puerto del servidor que recibe los datos del SDR.
Pero ésto no es todo. De acuerdo con lo que comenté más arriba, en principio no es necesario que dispongamos de un SDR para sintonizar señales servidas remotamente. Sí sin embargo si lo que queremos es detectar las señales locales del entorno en el que nos hallamos (para lo que necesitamos una antena), y/o si queremos servir sus muestras correspondientes. Por lo tanto, queda explicada la simplicidad del portal web que incluí más arriba.
Ahora bien, existen paquetes de software gratuito para presentar de una manera más profesional las señales a las que nos enganchamos. Estos programas son descargables gratuitamente de Internet. Existen muchas soluciones al respecto, a cual más atractiva. Ejemplos de algunas de las aplicaciones de escritorio cuyo programa de instalación es descargable desde la world wide web son SDRSharp, QTRadio, SdrDx, SDRRadio, HDRSdr, SDRUno, …, y algunas más, aunque éstas son las más conocidas.
En los tres siguientes videos se puede apreciar la rutina a emplear para sintonizar las señales mediante la aplicación SDRRadio. Se puede observar que lo que esta aplicación muestra directamente en la pantalla es el espectro (la transformada FFT de las señales en el dominio del tiempo), presentado en el dominio de la frecuencia. La rutina usada consiste en ir recorriendo la frecuencia desde un punto determinado y reconocer en el espectro el tipo de modulación y el ancho de banda de cada señal independiente. Una vez que hemos adivinado estos datos, nos falta adecuar el filtro al ancho de banda de la señal y seleccionar la modulación, para que el programa filtre y demodule la señal. El tipo de modulación no es difícil de adivinar. La modulación más común es la modulación de amplitud (AM), que presenta un espectro de potencia par en relación a la portadora (simétrico). Es un espectro de potencia simétrico porque las señales reales tienen una transformada de Fourier de módulo simétrico respecto al punto central del ancho de banda que ocupan.
Por otra parte, las señales FM tienen un ancho de banda bastante mayor que las AM y su espectro presenta múltiples rayas espectrales equiespaciadas. Las señales CW, que se utilizan por ejemplo para transmisiones telegráficas en código Morse, tienen un ancho de banda mucho menor que las otras dos, y se escuchan según una sucesión de tonos. Los radioaficionados suelen emplear en sus transmisiones la modulación AM, o su versión reducida (USB – Banda Lateral Superior). De acuerdo con estas directrices, no resulta complicado ir escuchando las distintas transmisiones mediante el programa. A continuación incluyo los tres vídeos que antes mencioné.
Inserto en esta entrada imágenes complementarias autoexplicativas relativas a los sistemas de posicionamiento hiperbólicos.
La primera imagen describe la operativa implícita en la circuitería de las cadenas Decca. Se pueden observar las conversiones de frecuencia que se efectúan en las antenas esclavas para evitar interferencias a la misma frecuencia en el receptor de señales emitidas por distintas antenas de la cadena. También se representan las conversiones de frecuencia que son acometidas en el receptor para poder determinar la diferencia de fase mediante el discriminador de fase correspondiente a la señal diferencia Rojo.
La segunda imagen representa esquemáticamente los radiales que surgían de cada estación Consol. Se puede advertir la notable componente hiperbólica en las proximidades de las antenas, donde era impracticable la operativa de escucha por radiales, lo que condicionaba el emplazamiento de las estaciones.
La tercera imagen de la serie representa los sectores angulares utilizables para la estación de Stavanger.
La imagen que sigue representa las curvas de nivel relativas a la precisión diurna obtenida con el sistema en el Atlántico Norte.
A continuación se muestran las mismas curvas de nivel, sólo que para la recepción nocturna. Debido a las distintas condiciones de propagación en ambos períodos horarios, se obtenían distintas precisiones si se empleaba el sistema por el día o por la noche.
Para ya finalizar, incluyo aquí la tabla de azimuts verdaderos en forma numérica para la antigua estación Consol de Arneiro (Lugo). Los valores tabulados representan los ángulos de azimut correctos para cada conteo de rayas antes de la equiseñal, el cual varía
entre 1 y 60 rayas.
Añado en esta entrada otras gráficas de interés relativas al sistema de posicionamiento Consol. La primera de ellas representa la evolución temporal de los fasores en un ciclo completo del período de la parte de señal de orientación, para la señal recibida en la perpendicular a la línea de antenas.
La segunda de la serie representa la señal demodulada relativa al subperiodo de señal de orientación.
Las dos siguientes imágenes representan la amplitud de la señal recibida para distintas ubicaciones en relación a la estación. En la primera imagen se aprecia únicamente la parte de orientación de la señal para dos posiciones angulares diferentes respecto a la estación. La segunda de ellas representa el ciclo completo de la señal recibida para la transmisión efectuada desde la estación de Stavanger.
Pero el dedo implacable
sigue y sigue escribiendo.
Seducirlo no podrás
con tu piedad y tu ingenio
para lo escrito tachar
o con tus lágrimas borrar
ni una coma ni un acento.
Rubaiyyat, Omar Khayám
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"Me gustan los números porque con ellos verdad y belleza son lo mismo.
Te das cuenta cuando las ecuaciones empiezan a resultar bellas. Ves que los números te acercan al secreto porqué de las cosas".
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