El diseño de un receptor de radio incluye el diseño electrónico de diferentes componentes de un receptor de radio que procesa la señal de radiofrecuencia de una antena para producir información utilizable, como el audio. La complejidad de un receptor moderno y la posible variedad de circuitos y métodos empleados se tratan de manera más general en ingeniería electrónica y de comunicaciones . En este artículo se entiende por receptor de radio cualquier dispositivo destinado a recibir una señal de radio con el fin de generar información útil a partir de la señal, en particular una recreación de la llamada señal de banda base (como el audio) que modula la señal de radio en el momento de la transmisión en un sistema de comunicaciones o transmisión.
El diseño de un receptor de radio debe considerar varios criterios fundamentales para producir un resultado práctico. Los criterios principales son ganancia , selectividad , sensibilidad y estabilidad. El receptor debe contener un detector para recuperar la información inicialmente impresa en la señal portadora de radio , proceso llamado modulación . [1]
Se requiere ganancia porque la señal interceptada por una antena tendrá un nivel de potencia muy bajo, del orden de picovatios o femtovatios . Para producir una señal audible en un par de auriculares es necesario amplificar esta señal un billón de veces o más. Las magnitudes de la ganancia requerida son tan grandes que se prefiere la unidad logarítmica decibelio : una ganancia de 1 billón de veces la potencia es 120 decibeles, que es un valor alcanzado por muchos receptores comunes. La ganancia la proporcionan una o más etapas amplificadoras en un diseño de receptor; parte de la ganancia se aplica en la parte de radiofrecuencia del sistema y el resto en las frecuencias utilizadas por la información recuperada (señales de audio, vídeo o datos).
La selectividad es la capacidad de "sintonizar" sólo una estación de las muchas que pueden estar transmitiendo en un momento dado. Un filtro de paso de banda ajustable es una etapa típica de un receptor. Un receptor puede incluir varias etapas de filtros de paso de banda para proporcionar suficiente selectividad. Además, el diseño del receptor debe proporcionar inmunidad contra señales espurias que puedan generarse dentro del receptor y que interferirían con la señal deseada. A los transmisores de radiodifusión en cualquier área determinada se les asignan frecuencias para que los receptores puedan seleccionar adecuadamente la transmisión deseada; este es un factor clave que limita el número de estaciones transmisoras que pueden operar en un área determinada.
La sensibilidad es la capacidad de recuperar la señal del ruido de fondo. El ruido se genera en el camino entre el transmisor y el receptor, pero también se genera significativamente en los propios circuitos del receptor. De manera inherente, cualquier circuito por encima del cero absoluto genera algún ruido aleatorio que se suma a las señales deseadas. En algunos casos, el ruido atmosférico es mucho mayor que el producido en los propios circuitos del receptor, pero en algunos diseños se aplican medidas como la refrigeración criogénica a algunas etapas del receptor, para evitar que las señales queden oscurecidas por el ruido térmico. Un muy buen diseño de receptor puede tener un factor de ruido de sólo unas pocas veces el mínimo teórico para la temperatura de funcionamiento y el ancho de banda de señal deseado. El objetivo es producir una relación señal-ruido de la señal recuperada suficiente para el fin previsto. Esta relación también suele expresarse en decibeles. Una relación señal-ruido de 10 dB (señal 10 veces más potente que el ruido) podría ser utilizada por operadores experimentados para comunicaciones de voz, pero un receptor destinado a la reproducción de música de alta fidelidad podría requerir una relación señal-ruido de 50 dB o más. relación.
Se requiere estabilidad en al menos dos sentidos. Estabilidad de frecuencia ; el receptor debe permanecer "sintonizado" a la señal de radio entrante y no debe "desviarse" con el tiempo o la temperatura. Además, la gran magnitud de la ganancia generada debe controlarse cuidadosamente para que no se produzcan emisiones espurias dentro del receptor. Estos provocarían una distorsión de la información recuperada o, en el peor de los casos, podrían irradiar señales que interfieran con otros receptores.
La etapa del detector recupera la información de la señal de radiofrecuencia y produce el sonido, el video o los datos que se imprimieron inicialmente en la onda portadora. Los detectores pueden ser tan simples como un detector de "envoltura" para modulación de amplitud , o pueden ser circuitos más complejos para técnicas desarrolladas más recientemente, como el espectro ensanchado por salto de frecuencia .
Si bien no es fundamental para un receptor, el control automático de ganancia es una gran comodidad para el usuario, ya que compensa automáticamente los cambios en los niveles de la señal recibida o los diferentes niveles producidos por diferentes transmisores.
Se han desarrollado muchos enfoques diferentes y "diagramas de bloques" fundamentales del receptor para abordar estos diversos factores, a veces contradictorios. Una vez que se han logrado estos objetivos técnicos, el proceso de diseño restante aún se complica por consideraciones económicas, derechos de patente e incluso moda.
Una radio de cristal no utiliza partes activas: se alimenta únicamente de la propia señal de radio, cuya energía detectada alimenta los auriculares para que sea audible. Para lograr incluso una sensibilidad mínima, una radio de cristal se limita a bajas frecuencias utilizando una antena grande (generalmente un cable largo). Se basa en la detección utilizando algún tipo de diodo semiconductor , como el diodo de bigotes de gato original descubierto mucho antes del desarrollo de los semiconductores modernos.
Un receptor de cristal es muy sencillo y puede ser fácil de fabricar o incluso improvisar, por ejemplo, la radio de trinchera . Sin embargo, la radio de cristal necesita una señal de RF potente y una antena larga para funcionar. Muestra poca selectividad ya que solo tiene un circuito sintonizado.
El receptor de radiofrecuencia sintonizado (TRF) consta de un amplificador de radiofrecuencia que tiene una o más etapas, todas sintonizadas a la frecuencia de recepción deseada. A esto le sigue un detector, normalmente un detector de envolvente que utiliza un diodo, seguido de una amplificación de audio. Esto se desarrolló después de la invención del tubo de vacío triodo , mejorando enormemente la recepción de señales de radio mediante amplificación electrónica que no estaba disponible anteriormente. La selectividad muy mejorada del receptor superheterodino superó al diseño TRF en casi todas las aplicaciones; sin embargo, el diseño TRF todavía se usaba hasta la década de 1960 entre las "radios de transistores" más baratas de esa época.
El receptor réflex fue un diseño de principios del siglo XX que constaba de un receptor TRF de una sola etapa pero que utilizaba el mismo tubo amplificador para amplificar también la señal de audio una vez detectada. Esto ocurrió en una era en la que cada tubo representaba un costo importante (y un consumidor de energía eléctrica), por lo que se consideraría preferible un aumento sustancial en el número de elementos pasivos a incluir un tubo adicional. El diseño tiende a ser bastante inestable y obsoleto.
El receptor regenerativo también tuvo su apogeo en una época en la que añadir un elemento activo (tubo de vacío) se consideraba costoso. Para aumentar la ganancia del receptor, se utilizó retroalimentación positiva en su única etapa amplificadora de RF; esto también aumentó la selectividad del receptor mucho más allá de lo que se esperaría de un único circuito sintonizado. La cantidad de retroalimentación fue bastante crítica para determinar la ganancia resultante y el operador de radio tuvo que ajustarla cuidadosamente. Aumentar la retroalimentación más allá de un punto hizo que el escenario oscilara en la frecuencia en la que estaba sintonizado.
La autooscilación redujo la calidad de la recepción de una señal de radio AM (voz), pero la hizo útil como receptor CW (código Morse). La señal de ritmo entre la oscilación y la señal de radio produciría un sonido de "pitido". La oscilación del receptor regenerativo también podría ser una fuente de interferencia local. Un diseño mejorado conocido como receptor súper regenerativo mejoró el rendimiento al permitir que se acumulara una oscilación que luego se "apagaba", repitiéndose ese ciclo a una velocidad rápida (ultrasónica). En el esquema adjunto de un receptor regenerativo práctico, se puede apreciar su simplicidad en relación con un receptor TRF de múltiples etapas, al tiempo que es capaz de alcanzar el mismo nivel de amplificación mediante el uso de retroalimentación positiva.
En el receptor de conversión directa , las señales de la antena solo se sintonizan mediante un único circuito sintonizado antes de ingresar a un mezclador donde se mezclan con una señal de un oscilador local que se sintoniza a la frecuencia de la onda portadora de la señal transmitida. Esto es diferente al diseño superheterodino, donde el oscilador local está en una frecuencia compensada. La salida de este mezclador es, por tanto, una frecuencia de audio, que pasa a través de un filtro de paso bajo hasta un amplificador de audio que puede controlar un altavoz.
Para recibir CW ( código morse ), el oscilador local se sintoniza a una frecuencia ligeramente diferente a la del transmisor para convertir la señal recibida en un "bip" audible.
Prácticamente todos los receptores modernos tienen un diseño superheterodino. La señal de RF de la antena puede tener una etapa de amplificación para mejorar la figura de ruido del receptor , aunque en frecuencias más bajas esto generalmente se omite. La señal de RF ingresa a un mezclador , junto con la salida del oscilador local , para producir la llamada señal de frecuencia intermedia (IF). Una de las primeras optimizaciones del superheterodino fue combinar el oscilador local y el mezclador en una sola etapa llamada "convertidor". El oscilador local está sintonizado a una frecuencia algo mayor (o menor) que la frecuencia de recepción prevista, de modo que la señal IF estará en una frecuencia particular donde se amplifica aún más en un amplificador multietapa de banda estrecha. Sintonizar el receptor implica cambiar la frecuencia del oscilador local, y el procesamiento adicional de la señal (especialmente en relación con el aumento del receptor) se realiza convenientemente en una sola frecuencia (la frecuencia IF), por lo que no requiere sintonización adicional para diferentes estaciones.
Aquí mostramos diagramas de bloques para receptores superheterodinos típicos para transmisiones AM y FM respectivamente. Este diseño de FM en particular utiliza un moderno detector de bucle de bloqueo de fase , a diferencia del discriminador de frecuencia o detector de relación utilizado en los receptores de FM anteriores.
Para los receptores de AM superheterodinos de conversión única diseñados para onda media (transmisión de AM), la FI suele ser de 455 kHz. La mayoría de los receptores superheterodinos diseñados para transmisiones de FM (88 - 108 MHz) utilizan una FI de 10,7 MHz. Los receptores de televisión suelen utilizar frecuencias intermedias de unos 40 MHz. Algunos receptores multibanda modernos en realidad convierten primero las bandas de frecuencia más bajas a una frecuencia mucho más alta (VHF), después de lo cual un segundo mezclador con un oscilador local sintonizable y una segunda etapa de FI procesan la señal como se indicó anteriormente.
La radio definida por software (SDR) es un sistema de comunicación por radio en el que los componentes que tradicionalmente se han implementado en hardware (por ejemplo, mezcladores , filtros , amplificadores , moduladores / demoduladores , detectores , etc.) se implementan mediante software en una computadora personal. o sistema integrado . [2] Si bien el concepto de DEG no es nuevo, las capacidades en rápida evolución de la electrónica digital hacen prácticos muchos procesos que solían ser sólo teóricamente posibles.