DIEXISMO

 

1.-LA RADIO DE GALENA. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO .-

 

 

En los albores de la era tecnológica, cuando la radio hacía sus primeros pinitos tras la verificación experimental de las ondas electromagnéticas por Hertz, y las experiencias de Marconi -bastante después de su descubrimiento teórico a partir de la combinación de las ecuaciones de Maxwell que genera la ecuación de onda-, todavía no estaban nada perfeccionados los mecanismos de modulación de la señal eléctrica transmitida y la tecnología conocida no permitía grandes maravillas en la transmisión y la recepción de la radio.

El primer problema a resolver consistía en obtener una manera fácil de mezclar la información a transmitir, o señal moduladora,  con un tono o portadora que permitiese su propagación óptima asociada a las variaciones temporales armónicas de la ecuación de onda, consiguiendo adaptar la señal modulada resultado de dicha mezcla a un canal de comunicaciones lo suficientemente bueno en cuanto a carencia de ruidos indeseados notables, una baja atenuación de la onda en su viaje, así como el hecho de utilizar una frecuencia no usada en el espacio físico identificado con el canal para evitar interferencias. Pues bien, el primer intento de transformación matemática de la señal moduladora lo constituyó la modulación de amplitud (AM), por ser el esquema más natural concebible, y consiste en multiplicar la portadora con la señal moduladora, que varía mucho más lentamente que la primera, de modo que la información queda retenida en la envolvente de la onda a transmitir. Es una forma natural de hacerlo, y que permite, si se usa suficiente potencia de transmisión, un gran alcance, a pesar de que es muy sensible a los ruidos. Los ruidos son señales indeseadas producidas por tormentas, y ruido térmico producido por el flujo natural de la corriente en los dispositivos con componente resistiva, con el consabido calentamiento de los mismos, a la cual se le suma una cantidad muy grande de pequeñas corrientes de estadística gaussiana generadas por los choques entre portadores de carga y núcleos atómicos, en todas las direcciones, y que se superponen a la corriente media. Dicha componente superpuesta es precisamente el ruido térmico, que al llegar a un elemento radiante es emitido hacia el receptor, aunque también se debe tener en cuenta la atenuación por hidrometeoros (donde lo que más influye es la atenuación que sufre la onda por la absorción molecular que se produce en las moléculas de agua y/o por dispersión de la energía por ser el agua buena conductora).

En un principio la modulación que se utilizó para las comunicaciones era la modulación de amplitud. Aún es usada hoy por ejemplo en las emisiones de onda corta, en variantes en las que se suprime una de las bandas laterales del espectro de radiofrecuencia. Por ser la señal real, su espectro tiene módulo simétrico respecto al eje de la frecuencia de portadora, con lo cual se evita el envío de información redundante. Queda por tanto el espectro configurado mediante la banda de media frecuencia, las frecuencias superiores (para USB) -o inferiores (para LSB)- y el piloto de portadora -también se puede emitir con portadora suprimida-; y esta modulación se conoce en general como Banda Lateral Suprimida (SSB). Además este mismo esquema -otra variante de la modulación AM o de amplitud- fue usado para la transmisión analógica de televisión, antes de la actual TDT digital; en concreto se usaba una subportadora, para ser modulada en amplitud en cuadratura por dos señales diferencia de color, intercaladas en un hueco del espectro de la señal de luminancia, y estando el sonido modulado en FM a una frecuencia de subportadora mayor. Al menos se operaba así en el antiguo estándar europeo de televisión analógica, conocido como PAL.

Tal vez una de las primeras implementaciones de receptor de radio capaz de transformar la modulación AM en algo audible -en la propia señal moduladora- es un esquema muy simple conocido como radio de galena, que se representa en la figura de más arriba. La radio de galena responde a la forma lógica de detectar la moduladora en una señal AM, esto es, responde a obtener la envolvente de la señal modulada transmitida y recibida en el receptor y aplicarla a unos auriculares. Recuérdese que las variaciones lentas de la señal moduladora contienen la información a recibir. Véase el dibujo de más abajo, que representa una señal moduladora modulando a una portadora.

La galena es un mineral, en concreto sulfuro de plomo, y cristaliza en forma de cristales cúbicos. Tiene una propiedad muy interesante, que es que según algunas direcciones a su través rectifica una corriente eléctrica, esto es, la deja pasar en un sentido pero no en el contrario. Lógicamente, si la señal modulada transmitida una vez recibida es pasada por una galena con el ajuste adecuado, dejará pasar sólo la parte positiva de la corriente eléctrica, y si usamos a su salida un condensador conseguiremos que la parte positiva antes de la bajada hacia valores negativos de la señal modulada cargue esa capacidad, que será descargada a través de los auriculares lentamente en la parte en la que la galena no permite paso de corriente, por estar ésta en el otro sentido -galena en corte-. Se obtiene así una señal sin brusquedades y de variación suave prácticamente idéntica a la señal moduladora de variaciones lentas que se transmitió. Esta parte que aquí describo se corresponde en el esquema con las dos últimas etapas, esto es, la detección, producida en la galena -sustituida hoy en día en los receptores por diodos de silicio o de germanio- y el condensador fijo; y la presentación, producida en unos auriculares de alta impedancia. Hoy en día se usan auriculares de baja impedancia en los receptores por la sencilla razón de que sus cables se conectan en serie en los amplificadores de audio como parte de la carga de los mismos y de este modo las impedancias han de ser pequeñas para no disminuir la corriente que ellos mismos presentan como sonido. En los receptores de galena los auriculares estaban colocados en paralelo con el circuito detector y por tanto para no afectar a su funcionamiento en una medida elevada debían tener alta impedancia, para cargar lo menos posible al detector, ya que las corrientes detectadas son minúsculas por no presentar ninguna amplificación de la señal el receptor de galena.

Esto que he explicado en el párrafo anterior consiste en el procesado que se hace a la señal ya sintonizada para convertir la moduladora en sonido audible. Ahora bien, faltan dos etapas previas, a saber, la etapa de la antena, y la etapa de la sintonía. De la antena no hablaré en profundidad, basta con decir que la onda electromagnética que vibra en las inmediaciones de la misma genera una corriente eléctrica en los conductores, para cuya recogida está especialmente pensada la antena. La señal de antena se pasa a continuación a lo que se conoce como circuito tanque, o filtro de radiofrecuencia o filtro de sintonía. En realidad la bobina y el condensador variable forman lo que se conoce como un resonador, el cual tiene una frecuencia propia de resonancia que viene dada por los valores de la bobina y del condensador variable. Esto significa que a una frecuencia determinada por dichos valores el condensador se carga con la corriente minúscula de la bobina, descargándose el campo magnético de ésta, y después en el siguiente semiciclo el campo eléctrico del condensador se descarga en forma de corriente y por tanto campo magnético en la bobina. Todo ésto da lugar a un circuito oscilante, cuyas oscilaciones se ven atenuadas de forma creciente por las pérdidas óhmicas debidas a las resistencias asociadas a dicho condensador y dicha bobina, los cuales no son ideales. En otras palabras, el paralelo de la bobina y el condensador constituyen un sistema armónico simple con amortiguación. ¿Qué razón de ser tiene su uso?. Pues su razón de ser es que si hacemos coincidir la frecuencia de resonancia del filtro tanque, actuando en el condensador variable, con la frecuencia de la portadora cuya información queremos detectar y oír, entonces la señal de corriente que viene de la antena se enganchará a las variaciones de corriente del sintonizador y dará lugar a un sistema vibratorio amortiguado forzado, en el que la señal de antena de esa frecuencia específica, y ninguna más a otra frecuencia de portadora distinta, pasa hacia el detector. En otras palabras, se obtiene la resonancia y la máxima transferencia de energía. Ésto es así, porque a esa frecuencia el resonador presenta una impedancia infinita. Es decir, a todos los efectos es como si no estuviera presente en el circuito, y toda la corriente que entra desde la antena pasa de forma íntegra al detector. Si variamos la capacidad del sintonizador ya no escucharemos la señal a la que estábamos sintonizados, pues el filtro tanque tendrá una menor impedancia y absorberá una mayor parte de la corriente, pasando poca corriente de antena al detector. Ésto que he descrito es lo que se conoce como etapa de sintonía.

Lo que aquí he descrito es un receptor homodino y sin amplificación ninguna, ni en radiofrecuencia, ni en frecuencia intermedia, ni en audiofrecuencia; en el cual no hay ninguna etapa de frecuencia intermedia -usada para conseguir mayor sensibilidad en los receptores superheterodinos-, en otras palabras, es un esquema muy ineficiente y obsoleto.

 

 

2.-DIEXISMO MEDIANTE RADIO DEFINIDA POR SOFTWARE (SDR).-

 

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.

 

Enlace para acceder a la web de diexismo online

 

 

¿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.

 

 

 

 

3.-EDWIN ARMSTRONG Y EL RECEPTOR REGENERATIVO.-

 

 

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, 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 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 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 salida de la etapa osciladora (rojo). Si se comparan en el dominio de la frecuencia, se pueden 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.

 

4.- SATURACIÓN Y DISTORSIÓN ARMÓNICA EN SEÑAL DE AUDIO DE UN RECEPTOR FM CON EL VOLUMEN AL MÁXIMO.-

 

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.

 

5.- RÉPLICA DE RADIO CATEDRAL DE LOS AÑOS 20 .-

 

 

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….

 

6.-RECEPTOR SUPERHETERODINO DE FM. (I) EL OSCILADOR LOCAL.-

 

 

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.

 

 

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