En las comunicaciones por radio , un receptor de radio , también conocido como receptor , receptor inalámbrico o simplemente radio , es un dispositivo electrónico que recibe ondas de radio y convierte la información transportada por ellas en una forma utilizable. Se utiliza con una antena . La antena intercepta las ondas de radio ( ondas electromagnéticas de radiofrecuencia ) y las convierte en pequeñas corrientes alternas que se aplican al receptor, y el receptor extrae la información deseada. El receptor utiliza filtros electrónicos para separar la señal de radiofrecuencia deseada de todas las demás señales captadas por la antena, un amplificador electrónico para aumentar la potencia de la señal para su posterior procesamiento y, finalmente, recupera la información deseada mediante la demodulación .
Los receptores de radio son componentes esenciales de todos los sistemas que utilizan la radio . La información producida por el receptor puede estar en forma de sonido, video ( televisión ) o datos digitales . [1] Un receptor de radio puede ser una pieza separada de equipo electrónico o un circuito electrónico dentro de otro dispositivo. El tipo de receptor de radio más familiar para la mayoría de las personas es un receptor de radio de transmisión, que reproduce el sonido transmitido por estaciones de radiodifusión , históricamente la primera aplicación de radio del mercado masivo. Un receptor de transmisión se denomina comúnmente "radio". Sin embargo, los receptores de radio se utilizan ampliamente en otras áreas de la tecnología moderna, en televisores , teléfonos celulares , módems inalámbricos , relojes de radio y otros componentes de comunicaciones, control remoto y sistemas de redes inalámbricas.
El tipo más conocido de receptor de radio es un receptor de transmisión, a menudo llamado simplemente radio , que recibe programas de audio destinados a la recepción pública transmitidos por estaciones de radio locales . El sonido se reproduce mediante un altavoz en la radio o un auricular que se conecta a un conector en la radio. La radio requiere energía eléctrica , proporcionada por baterías dentro de la radio o un cable de alimentación que se conecta a una toma eléctrica . Todas las radios tienen un control de volumen para ajustar la intensidad del audio y algún tipo de control de "sintonización" para seleccionar la estación de radio que se recibirá.
La modulación es el proceso de agregar información a una onda portadora de radio .
En los sistemas de transmisión de radio analógica se utilizan dos tipos de modulación: AM y FM.
En la modulación de amplitud (AM), la intensidad de la señal de radio varía en función de la señal de audio. La transmisión AM está permitida en las bandas de transmisión AM que se encuentran entre 148 y 283 kHz en el rango de onda larga , y entre 526 y 1706 kHz en el rango de frecuencia media (MF) del espectro radioeléctrico . La transmisión AM también está permitida en las bandas de onda corta , entre aproximadamente 2,3 y 26 MHz, que se utilizan para la transmisión internacional de larga distancia.
En la modulación de frecuencia (FM), la frecuencia de la señal de radio varía ligeramente según la señal de audio. La transmisión FM está permitida en las bandas de transmisión FM entre aproximadamente 65 y 108 MHz en el rango de frecuencias muy altas (VHF). Los rangos de frecuencia exactos varían un poco en diferentes países.
Las estaciones de radio FM estéreo transmiten en sonido estereofónico (estéreo), transmitiendo dos canales de sonido que representan los micrófonos izquierdo y derecho . Un receptor estéreo contiene los circuitos adicionales y las rutas de señal paralelas para reproducir los dos canales separados. Un receptor monoaural , por el contrario, solo recibe un único canal de audio que es una combinación (suma) de los canales izquierdo y derecho. [2] [3] [4] Si bien existen transmisores y receptores estéreo AM , no han alcanzado la popularidad del estéreo FM.
La mayoría de las radios modernas pueden recibir estaciones de radio AM y FM, y tienen un interruptor para seleccionar qué banda recibir; se denominan radios AM/FM .
La radiodifusión de audio digital (DAB) es una tecnología de radio avanzada que debutó en algunos países en 1998 y que transmite audio de estaciones de radio terrestres como una señal digital en lugar de una señal analógica como lo hacen AM y FM. Sus ventajas son que la DAB tiene el potencial de proporcionar un sonido de mayor calidad que la FM (aunque muchas estaciones no eligen transmitir con una calidad tan alta), tiene una mayor inmunidad al ruido y la interferencia de radio, hace un mejor uso del escaso ancho de banda del espectro radioeléctrico y proporciona funciones avanzadas para el usuario, como guía electrónica de programas , comentarios deportivos y presentaciones de diapositivas de imágenes. Su desventaja es que es incompatible con radios anteriores, por lo que se debe comprar un nuevo receptor DAB. A partir de 2017, 38 países ofrecen DAB, con 2100 estaciones que atienden áreas de escucha que contienen 420 millones de personas. Estados Unidos y Canadá han optado por no implementar DAB.
Las estaciones de radio DAB funcionan de manera diferente a las estaciones AM o FM: una sola estación DAB transmite una señal de ancho de banda de 1500 kHz que transporta de 9 a 12 canales entre los que el oyente puede elegir. Las emisoras pueden transmitir un canal a una variedad de velocidades de bits diferentes , por lo que los diferentes canales pueden tener una calidad de audio diferente. En diferentes países, las estaciones DAB transmiten en la Banda III (174–240 MHz) o en la Banda L (1,452–1,492 GHz).
La intensidad de la señal de las ondas de radio disminuye cuanto más se alejan del transmisor, por lo que una estación de radio solo puede recibirse dentro de un rango limitado de su transmisor. El rango depende de la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor, el ruido atmosférico e interno , así como cualquier obstrucción geográfica como colinas entre el transmisor y el receptor. Las ondas de radio de la banda de transmisión AM viajan como ondas terrestres que siguen el contorno de la Tierra, por lo que las estaciones de radio AM pueden recibirse de manera confiable a cientos de millas de distancia. Debido a su frecuencia más alta, las señales de radio de la banda FM no pueden viajar mucho más allá del horizonte visual; limitando la distancia de recepción a aproximadamente 40 millas (64 km), y pueden ser bloqueadas por colinas entre el transmisor y el receptor. Sin embargo, la radio FM es menos susceptible a la interferencia del ruido de radio ( RFI , esféricos , estática) y tiene mayor fidelidad , mejor respuesta de frecuencia y menos distorsión de audio que la AM. Entonces, en los países que aún transmiten radio AM, la música seria generalmente solo se transmite por estaciones FM, y las estaciones AM se especializan en noticias de radio , radio hablada y radio deportiva . Al igual que FM, las señales DAB viajan por línea de visión , por lo que las distancias de recepción están limitadas por el horizonte visual a aproximadamente 30 a 40 millas (48 a 64 km).
Las radios se fabrican en una variedad de estilos y funciones:
Los receptores de radio son componentes esenciales de todos los sistemas que utilizan la radio . Además de los receptores de transmisión descritos anteriormente, los receptores de radio se utilizan en una gran variedad de sistemas electrónicos de la tecnología moderna. Pueden ser un equipo independiente (una radio ) o un subsistema incorporado a otros dispositivos electrónicos. Un transceptor es un transmisor y un receptor combinados en una unidad. A continuación, se incluye una lista de algunos de los tipos más comunes, organizados por función.
Un receptor de radio está conectado a una antena que convierte parte de la energía de la onda de radio entrante en un pequeño voltaje de CA de radiofrecuencia que se aplica a la entrada del receptor. Una antena generalmente consta de una disposición de conductores metálicos. Los campos eléctricos y magnéticos oscilantes de la onda de radio empujan los electrones de la antena hacia adelante y hacia atrás, creando un voltaje oscilante.
La antena puede estar encerrada dentro de la carcasa del receptor, como en el caso de las antenas de bucle de ferrita de las radios AM y la antena plana F invertida de los teléfonos celulares; fijada al exterior del receptor, como en el caso de las antenas de látigo utilizadas en las radios FM , o montada por separado y conectada al receptor mediante un cable, como en el caso de las antenas de televisión de techo y las antenas parabólicas .
Los receptores de radio prácticos realizan tres funciones básicas en la señal de la antena: filtrado , amplificación y demodulación : [8]
Las ondas de radio de muchos transmisores pasan por el aire simultáneamente sin interferirse entre sí y son recibidas por la antena. Estas pueden separarse en el receptor porque tienen frecuencias diferentes ; es decir, la onda de radio de cada transmisor oscila a una velocidad diferente. Para separar la señal de radio deseada, el filtro de paso de banda permite que pase la frecuencia de la transmisión de radio deseada y bloquea las señales en todas las demás frecuencias.
El filtro de paso de banda consta de uno o más circuitos resonantes (circuitos sintonizados). El circuito resonante está conectado entre la entrada de la antena y la tierra. Cuando la señal de radio entrante está en la frecuencia resonante, el circuito resonante tiene una impedancia alta y la señal de radio de la estación deseada se transmite a las siguientes etapas del receptor. En todas las demás frecuencias, el circuito resonante tiene una impedancia baja, por lo que las señales en estas frecuencias se conducen a tierra.
La potencia de las ondas de radio captadas por una antena receptora disminuye con el cuadrado de su distancia a la antena transmisora. Incluso con los potentes transmisores utilizados en las estaciones de radiodifusión, si el receptor está a más de unas pocas millas del transmisor, la potencia interceptada por la antena del receptor es muy pequeña, tal vez tan baja como picovatios o femtovatios . Para aumentar la potencia de la señal recuperada, un circuito amplificador utiliza energía eléctrica de baterías o del enchufe de la pared para aumentar la amplitud (voltaje o corriente) de la señal. En la mayoría de los receptores modernos, los componentes electrónicos que realizan la amplificación real son transistores .
Los receptores suelen tener varias etapas de amplificación: la señal de radio del filtro de paso de banda se amplifica para que sea lo suficientemente potente como para accionar el demodulador, luego la señal de audio del demodulador se amplifica para que sea lo suficientemente potente como para hacer funcionar el altavoz. El grado de amplificación de un receptor de radio se mide mediante un parámetro llamado sensibilidad , que es la intensidad mínima de la señal de una estación en la antena, medida en microvoltios , necesaria para recibir la señal con claridad, con una cierta relación señal-ruido . Dado que es fácil amplificar una señal a cualquier grado deseado, el límite de la sensibilidad de muchos receptores modernos no es el grado de amplificación sino el ruido electrónico aleatorio presente en el circuito, que puede ahogar una señal de radio débil.
Después de filtrar y amplificar la señal de radio, el receptor debe extraer la señal de modulación portadora de información de la onda portadora de radiofrecuencia modulada . Esto se hace mediante un circuito llamado demodulador ( detector ). Cada tipo de modulación requiere un tipo diferente de demodulador.
También se utilizan muchos otros tipos de modulación para fines especializados.
La señal de modulación emitida por el demodulador suele amplificarse para aumentar su potencia y, a continuación, la información se convierte de nuevo a un formato utilizable por humanos mediante algún tipo de transductor . Una señal de audio , que representa el sonido, como en una transmisión de radio, se convierte en ondas de sonido mediante un auricular o un altavoz . Una señal de vídeo , que representa imágenes en movimiento, como en un receptor de televisión , se convierte en luz mediante una pantalla . Los datos digitales , como en un módem inalámbrico , se aplican como entrada a una computadora o microprocesador , que interactúa con los usuarios humanos.
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En el tipo más simple de receptor de radio, llamado receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF) , las tres funciones anteriores se realizan consecutivamente: [9] (1) la mezcla de señales de radio de la antena se filtra para extraer la señal del transmisor deseado; (2) este voltaje oscilante se envía a través de un amplificador de radiofrecuencia (RF) para aumentar su fuerza a un nivel suficiente para impulsar el demodulador; (3) el demodulador recupera la señal de modulación (que en los receptores de transmisión es una señal de audio , un voltaje que oscila a una frecuencia de audio que representa las ondas de sonido) de la onda portadora de radio modulada ; (4) la señal de modulación se amplifica aún más en un amplificador de audio , luego se aplica a un altavoz o auricular para convertirla en ondas de sonido.
Aunque el receptor TRF se utiliza en unas pocas aplicaciones, tiene desventajas prácticas que lo hacen inferior al receptor superheterodino que se muestra a continuación, que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones. [9] Las desventajas se deben al hecho de que en el TRF el filtrado, la amplificación y la demodulación se realizan a la alta frecuencia de la señal de radio entrante. El ancho de banda de un filtro aumenta con su frecuencia central, por lo que a medida que el receptor TRF se sintoniza a diferentes frecuencias, su ancho de banda varía. Lo más importante es que la creciente congestión del espectro de radio requiere que los canales de radio estén espaciados muy cerca entre sí en frecuencia. Es extremadamente difícil construir filtros que funcionen en frecuencias de radio que tengan un ancho de banda lo suficientemente estrecho como para separar estaciones de radio muy espaciadas. Los receptores TRF normalmente deben tener muchas etapas de sintonización en cascada para lograr una selectividad adecuada. La sección Ventajas a continuación describe cómo el receptor superheterodino supera estos problemas.
El receptor superheterodino , inventado en 1918 por Edwin Armstrong [10], es el diseño utilizado en casi todos los receptores modernos [11] [9] [12] [13] excepto unas pocas aplicaciones especializadas.
En el superheterodino, la señal de radiofrecuencia de la antena se desplaza hacia abajo a una " frecuencia intermedia " (FI) más baja, antes de ser procesada. [14] [15] [16] [17] La señal de radiofrecuencia entrante de la antena se mezcla con una señal no modulada generada por un oscilador local (LO) en el receptor. La mezcla se realiza en un circuito no lineal llamado " mezclador ". El resultado en la salida del mezclador es un heterodino o frecuencia de batido en la diferencia entre estas dos frecuencias. El proceso es similar a la forma en que dos notas musicales en diferentes frecuencias tocadas juntas producen una nota de batido . Esta frecuencia más baja se llama frecuencia intermedia (FI). La señal FI también tiene las bandas laterales de modulación que llevan la información que estaba presente en la señal de RF original. La señal FI pasa a través de etapas de filtro y amplificador, [12] luego se demodula en un detector, recuperando la modulación original.
El receptor es fácil de sintonizar; para recibir una frecuencia diferente, sólo es necesario cambiar la frecuencia del oscilador local. Las etapas del receptor después del mezclador operan en la frecuencia intermedia fija (FI), por lo que el filtro de paso de banda de FI no tiene que ajustarse a diferentes frecuencias. La frecuencia fija permite que los receptores modernos utilicen sofisticados filtros de FI de cristal de cuarzo , resonador cerámico u onda acústica de superficie (SAW) que tienen factores Q muy altos , para mejorar la selectividad.
El filtro de RF en el extremo frontal del receptor es necesario para evitar la interferencia de cualquier señal de radio en la frecuencia de imagen . Sin un filtro de entrada, el receptor puede recibir señales de RF entrantes en dos frecuencias diferentes. [18] [13] [17] [19] El receptor puede diseñarse para recibir en cualquiera de estas dos frecuencias; si el receptor está diseñado para recibir en una, cualquier otra estación de radio o ruido de radio en la otra frecuencia puede pasar e interferir con la señal deseada. Una sola etapa de filtro de RF sintonizable rechaza la frecuencia de imagen; como estas están relativamente lejos de la frecuencia deseada, un filtro simple proporciona un rechazo adecuado. El rechazo de señales interferentes mucho más cercanas en frecuencia a la señal deseada es manejado por las múltiples etapas sintonizadas agudamente de los amplificadores de frecuencia intermedia, que no necesitan cambiar su sintonización. [13] Este filtro no necesita una gran selectividad, pero como el receptor está sintonizado a diferentes frecuencias, debe "rastrear" en tándem con el oscilador local. El filtro de RF también sirve para limitar el ancho de banda aplicado al amplificador de RF, evitando que se sobrecargue con señales fuertes fuera de banda.
Para lograr un buen rechazo de imagen y selectividad, muchos receptores superheterodinos modernos utilizan dos frecuencias intermedias; esto se llama superheterodino de conversión dual o de doble conversión . [9] La señal de RF entrante se mezcla primero con una señal de oscilador local en el primer mezclador para convertirla a una frecuencia de FI alta, para permitir un filtrado eficiente de la frecuencia de imagen, luego esta primera FI se mezcla con una segunda señal de oscilador local en un segundo mezclador para convertirla a una frecuencia de FI baja para un buen filtrado de paso de banda. Algunos receptores incluso utilizan triple conversión .
A costa de las etapas adicionales, el receptor superheterodino ofrece la ventaja de una mayor selectividad que la que se puede lograr con un diseño TRF. Cuando se utilizan frecuencias muy altas, solo la etapa inicial del receptor necesita operar en las frecuencias más altas; las etapas restantes pueden proporcionar gran parte de la ganancia del receptor en frecuencias más bajas, que pueden ser más fáciles de manejar. La sintonización se simplifica en comparación con un diseño TRF de múltiples etapas, y solo dos etapas necesitan realizar un seguimiento en el rango de sintonización. La amplificación total del receptor se divide entre tres amplificadores en diferentes frecuencias: el amplificador de RF, el de FI y el de audio. Esto reduce los problemas con la retroalimentación y las oscilaciones parásitas que se encuentran en los receptores donde la mayoría de las etapas del amplificador operan en la misma frecuencia, como en el receptor TRF. [14]
La ventaja más importante es que se puede lograr una mejor selectividad haciendo el filtrado en la frecuencia intermedia más baja. [9] [12] [14] Uno de los parámetros más importantes de un receptor es su ancho de banda , la banda de frecuencias que acepta. Para rechazar las estaciones interferentes cercanas o el ruido, se requiere un ancho de banda estrecho. En todas las técnicas de filtrado conocidas, el ancho de banda del filtro aumenta en proporción con la frecuencia, por lo que al realizar el filtrado en la frecuencia más baja , en lugar de la frecuencia de la señal de radio original , se puede lograr un ancho de banda más estrecho. La transmisión moderna de FM y televisión, los teléfonos celulares y otros servicios de comunicaciones, con sus anchos de canal estrechos, serían imposibles sin el superheterodino. [12]
La intensidad de la señal ( amplitud ) de la señal de radio de la antena de un receptor varía drásticamente, en órdenes de magnitud, dependiendo de qué tan lejos esté el transmisor de radio, qué tan potente sea y las condiciones de propagación a lo largo del camino de las ondas de radio. [20] La intensidad de la señal recibida de un transmisor dado varía con el tiempo debido a las condiciones cambiantes de propagación del camino por el que pasa la onda de radio, como la interferencia por trayectos múltiples ; esto se llama desvanecimiento . [20] [9] En un receptor de AM, la amplitud de la señal de audio del detector y el volumen del sonido son proporcionales a la amplitud de la señal de radio, por lo que el desvanecimiento causa variaciones en el volumen. Además, como el receptor está sintonizado entre estaciones fuertes y débiles, el volumen del sonido del altavoz variaría drásticamente. Sin un sistema automático para manejarlo, en un receptor de AM, se requeriría un ajuste constante del control de volumen.
Con otros tipos de modulación como FM o FSK la amplitud de la modulación no varía con la intensidad de la señal de radio, pero en todos los tipos el demodulador requiere un cierto rango de amplitud de señal para funcionar correctamente. [9] [21] Una amplitud de señal insuficiente provocará un aumento de ruido en el demodulador, mientras que una amplitud de señal excesiva hará que las etapas del amplificador se sobrecarguen (saturen), causando distorsión (recorte) de la señal.
Por lo tanto, casi todos los receptores modernos incluyen un sistema de control de retroalimentación que monitorea el nivel promedio de la señal de radio en el detector y ajusta la ganancia de los amplificadores para dar el nivel de señal óptimo para la demodulación. [9] [21] [20] Esto se llama control automático de ganancia (AGC). AGC se puede comparar con el mecanismo de adaptación a la oscuridad en el ojo humano ; al entrar en una habitación oscura, la ganancia del ojo aumenta por la apertura del iris. [20] En su forma más simple, un sistema AGC consiste en un rectificador que convierte la señal de RF a un nivel de CC variable, un filtro de paso bajo para suavizar las variaciones y producir un nivel promedio. [21] Esto se aplica como una señal de control a una etapa amplificadora anterior, para controlar su ganancia. En un receptor superheterodino, AGC generalmente se aplica al amplificador de FI , y puede haber un segundo bucle AGC para controlar la ganancia del amplificador de RF para evitar que también se sobrecargue.
En ciertos diseños de receptores, como los receptores digitales modernos, existe un problema relacionado con la desviación de la señal en CC, que se corrige mediante un sistema de retroalimentación similar.
Las ondas de radio fueron identificadas por primera vez en la serie de experimentos de 1887 del físico alemán Heinrich Hertz para probar la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell . Hertz utilizó antenas dipolares excitadas por chispa para generar las ondas y brechas de chispa micrométricas unidas a antenas dipolares y de bucle para detectarlas. [22] [23] [24] Estos dispositivos primitivos se describen con mayor precisión como sensores de ondas de radio, no "receptores", ya que solo podían detectar ondas de radio a unos 100 pies del transmisor, y no se usaban para la comunicación sino como instrumentos de laboratorio en experimentos científicos.
Los primeros transmisores de radio , utilizados durante las tres décadas iniciales de la radio desde 1887 hasta 1917, un período llamado la era de la chispa , eran transmisores de chispa que generaban ondas de radio mediante la descarga de una capacitancia a través de una chispa eléctrica . [26] [27] [28] Cada chispa producía un pulso transitorio de ondas de radio que disminuía rápidamente a cero. [22] [24] Estas ondas amortiguadas no podían modularse para transportar sonido, como en la transmisión moderna de AM y FM . Por lo tanto, los transmisores de chispa no podían transmitir sonido y, en su lugar, transmitían información por radiotelegrafía . El operador encendía y apagaba rápidamente el transmisor utilizando una llave de telégrafo , creando pulsos de diferentes longitudes de ondas de radio amortiguadas ("puntos" y "rayas") para deletrear mensajes de texto en código Morse . [24] [27]
Por lo tanto, los primeros receptores de radio no tenían que extraer una señal de audio de la onda de radio como los receptores modernos, sino que simplemente detectaban la presencia de la señal de radio y producían un sonido durante los "puntos" y "rayas". [24] El dispositivo que hacía esto se llamaba " detector ". Como no había dispositivos amplificadores en ese momento, la sensibilidad del receptor dependía principalmente del detector. Se probaron muchos dispositivos detectores diferentes. Los receptores de radio durante la era de la chispa constaban de estas partes: [9]
La señal del transmisor de chispa consistía en ondas amortiguadas repetidas a una frecuencia de audio de entre 120 y quizás 4000 por segundo, por lo que en el auricular la señal sonaba como un tono musical o un zumbido, y los "puntos" y "rayas" del código Morse sonaban como pitidos.
La primera persona en utilizar ondas de radio para la comunicación fue Guglielmo Marconi . [27] [30] Marconi inventó poco por sí mismo, pero fue el primero en creer que la radio podía ser un medio de comunicación práctico, y desarrolló por sí solo los primeros sistemas de telegrafía inalámbrica , transmisores y receptores, a partir de 1894-5, [30] principalmente mejorando la tecnología inventada por otros. [27] [31] [32] [33] [34] [35] Oliver Lodge y Alexander Popov también estaban experimentando con aparatos receptores de ondas de radio similares al mismo tiempo en 1894-5, [32] [36] pero no se sabe que hayan transmitido código Morse durante este período, [27] [30] solo cadenas de pulsos aleatorios. Por lo tanto, a Marconi generalmente se le atribuye el crédito por construir los primeros receptores de radio.
Los primeros receptores de radio inventados por Marconi, Oliver Lodge y Alexander Popov en 1894-5 usaban un detector de ondas de radio primitivo llamado coherer , inventado en 1890 por Edouard Branly y mejorado por Lodge y Marconi. [22] [27] [29 ] [32] [36] [37] [38] El coherer era un tubo de vidrio con electrodos de metal en cada extremo, con polvo de metal suelto entre los electrodos. [22] [27] [39] Inicialmente tenía una alta resistencia . Cuando se aplicaba un voltaje de radiofrecuencia a los electrodos, su resistencia caía y conducía electricidad. En el receptor, el coherer estaba conectado directamente entre la antena y tierra. Además de la antena, el coherer estaba conectado en un circuito de CC con una batería y un relé . Cuando la onda de radio entrante reducía la resistencia del coherer, la corriente de la batería fluía a través de él, activando el relé para hacer sonar una campana o hacer una marca en una cinta de papel en una grabadora de sifón . Para restaurar el coherer a su estado no conductor anterior para recibir el siguiente pulso de ondas de radio, tuvo que ser golpeado mecánicamente para perturbar las partículas metálicas. [22] [27] [36] [40] Esto se hizo mediante un "decoherer", un badajo que golpeaba el tubo, operado por un electroimán alimentado por el relé.
El coherer es un dispositivo antiguo poco conocido, e incluso hoy en día existe cierta incertidumbre sobre el mecanismo físico exacto por el que funcionaban los distintos tipos. [22] [31] [41] Sin embargo, se puede ver que era esencialmente un dispositivo biestable , un interruptor operado por ondas de radio, y por lo tanto no tenía la capacidad de rectificar la onda de radio para demodular las posteriores transmisiones de radio moduladas en amplitud (AM) que transportaban sonido. [22] [31]
En una larga serie de experimentos, Marconi descubrió que al utilizar una antena monopolar de alambre elevada en lugar de las antenas dipolo de Hertz , podía transmitir a distancias más largas, más allá de la curvatura de la Tierra, demostrando que la radio no era solo una curiosidad de laboratorio sino un método de comunicación comercialmente viable. Esto culminó en su histórica transmisión inalámbrica transatlántica el 12 de diciembre de 1901, desde Poldhu, Cornualles a St. John's, Terranova , una distancia de 3500 km (2200 millas), que fue recibida por un coherer. [31] [35] Sin embargo, el alcance habitual de los receptores coherer, incluso con los potentes transmisores de esta era, estaba limitado a unos pocos cientos de millas.
El coherer siguió siendo el detector dominante utilizado en los primeros receptores de radio durante unos 10 años, [39] hasta que fue reemplazado por el detector de cristal y el detector electrolítico alrededor de 1907. A pesar de mucho trabajo de desarrollo, era un dispositivo muy rudimentario e insatisfactorio. [22] [27] No era muy sensible y también respondía al ruido de radio impulsivo ( RFI ), como el encendido o apagado de luces cercanas, así como a la señal deseada. [27] [39] Debido al engorroso mecanismo mecánico de "retroenlace", estaba limitado a una velocidad de datos de aproximadamente 12 a 15 palabras por minuto de código Morse , mientras que un transmisor de chispa podía transmitir Morse a hasta 100 WPM con una máquina de cinta de papel. [42] [43]
El pobre rendimiento del cohesor motivó una gran cantidad de investigaciones para encontrar mejores detectores de ondas de radio, y se inventaron muchos de ellos. Se probaron algunos dispositivos extraños; los investigadores experimentaron con el uso de ancas de rana [44] e incluso un cerebro humano [45] de un cadáver como detectores. [22] [46]
A principios del siglo XX se empezaron a realizar experimentos en los que se utilizaba la modulación de amplitud (AM) para transmitir sonido por radio ( radiotelefonía ). Por lo tanto, un segundo objetivo de la investigación sobre detectores era encontrar detectores que pudieran demodular una señal AM, extrayendo la señal de audio (sonido) de la onda portadora de radio . Se descubrió por ensayo y error que esto se podía hacer con un detector que exhibiera "conducción asimétrica"; un dispositivo que conducía la corriente en una dirección pero no en la otra. [47] Esto rectificaba la señal de radio de corriente alterna, eliminando un lado de los ciclos de la portadora, dejando una corriente continua pulsante cuya amplitud variaba con la señal de modulación de audio. Cuando se aplicaba a un auricular, esto reproduciría el sonido transmitido.
A continuación se muestran los detectores que se utilizaron ampliamente antes de que los tubos de vacío tomaran el control alrededor de 1920. [48] [49] Todos, excepto el detector magnético, podían rectificar y, por lo tanto, recibir señales de AM:
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Durante la era de los tubos de vacío, el término "detector" pasó de significar un detector de ondas de radio a significar un demodulador , un dispositivo que podía extraer la señal de modulación de audio de una señal de radio. Ese es su significado actual.
"Sintonizar" significa ajustar la frecuencia del receptor a la frecuencia de la transmisión de radio deseada. Los primeros receptores no tenían circuito sintonizado, el detector estaba conectado directamente entre la antena y tierra. Debido a la falta de componentes selectivos de frecuencia además de la antena, el ancho de banda del receptor era igual al ancho de banda amplio de la antena. [28] [29] [37] [63] Esto era aceptable e incluso necesario porque los primeros transmisores de chispa hertziana también carecían de un circuito sintonizado. Debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, la energía de las ondas de radio se extendía sobre una banda muy amplia de frecuencias. [64] [65] Para recibir suficiente energía de esta señal de banda ancha, el receptor también tenía que tener un ancho de banda amplio.
Cuando más de un transmisor de chispa irradiaba en un área determinada, sus frecuencias se superponían, por lo que sus señales interferían entre sí, lo que daba como resultado una recepción confusa. [28] [63] [66] Se necesitaba algún método para permitir que el receptor seleccionara la señal de qué transmisor recibir. [66] [67] Las longitudes de onda múltiples producidas por un transmisor mal sintonizado hicieron que la señal se "atenuara" o se apagara, lo que redujo en gran medida la potencia y el alcance de transmisión. [68] En 1892, William Crookes dio una conferencia [69] sobre radio en la que sugirió usar resonancia para reducir el ancho de banda de transmisores y receptores. Luego, se podrían "sintonizar" diferentes transmisores para transmitir en diferentes frecuencias para que no interfirieran. [35] [64] [70] El receptor también tendría un circuito resonante (circuito sintonizado) y podría recibir una transmisión particular "sintonizando" su circuito resonante a la misma frecuencia que el transmisor, de manera análoga a sintonizar un instrumento musical para que resuene con otro. Este es el sistema utilizado en todas las radios modernas.
La sintonización se utilizó en los experimentos originales de Hertz [71] y la aplicación práctica de la sintonización apareció a principios y mediados de la década de 1890 en sistemas inalámbricos no diseñados específicamente para la comunicación por radio. La conferencia de Nikola Tesla de marzo de 1893 que demostraba la transmisión inalámbrica de energía para iluminación (principalmente por lo que él pensaba que era conducción terrestre [72] ) incluía elementos de sintonización. El sistema de iluminación inalámbrica consistía en un transformador resonante conectado a tierra excitado por chispa con una antena de cable que transmitía energía a través de la habitación a otro transformador resonante sintonizado a la frecuencia del transmisor, que encendía un tubo Geissler . [32] [70] El uso de la sintonización en "ondas hertzianas" (radio) de espacio libre se explicó y demostró en las conferencias de Oliver Lodge de 1894 sobre el trabajo de Hertz. [73] En esa época Lodge estaba demostrando la física y las cualidades ópticas de las ondas de radio en lugar de intentar construir un sistema de comunicación, pero luego desarrollaría métodos (patentados en 1897) para sintonizar la radio (lo que llamó "sintonía"), incluido el uso de inductancia variable para sintonizar antenas. [74] [75] [76]
En 1897, las ventajas de los sistemas sintonizados se habían hecho evidentes, y Marconi y los demás investigadores inalámbricos habían incorporado circuitos sintonizados , que consistían en condensadores e inductores conectados entre sí, en sus transmisores y receptores. [28] [32] [35] [37] [63] [75] El circuito sintonizado actuaba como un análogo eléctrico de un diapasón . Tenía una alta impedancia en su frecuencia de resonancia , pero una baja impedancia en todas las demás frecuencias. Conectado entre la antena y el detector, servía como un filtro de paso de banda , pasando la señal de la estación deseada al detector, pero enrutando todas las demás señales a tierra. [29] La frecuencia de la estación recibida f estaba determinada por la capacitancia C y la inductancia L en el circuito sintonizado:
Para rechazar el ruido de radio y la interferencia de otros transmisores cercanos en frecuencia a la estación deseada, el filtro de paso de banda (circuito sintonizado) en el receptor tiene que tener un ancho de banda estrecho , permitiendo solo una banda estrecha de frecuencias. [28] [29] La forma de filtro de paso de banda que se utilizó en los primeros receptores, que se ha seguido utilizando en los receptores hasta hace poco, fue el circuito acoplado inductivamente de doble sintonización, o transformador resonante ( transformador de oscilación o transformador de RF). [28] [32] [35] [37] [75] [77] La antena y la tierra estaban conectadas a una bobina de cable, que estaba acoplada magnéticamente a una segunda bobina con un condensador a través de ella, que estaba conectada al detector. [29] La corriente alterna de RF de la antena a través de la bobina primaria creó un campo magnético que indujo una corriente en la bobina secundaria que alimentaba el detector. Tanto el primario como el secundario eran circuitos sintonizados; [63] La bobina primaria resonó con la capacitancia de la antena, mientras que la bobina secundaria resonó con el capacitor que se encontraba a través de ella. Ambas estaban ajustadas a la misma frecuencia de resonancia .
Este circuito tenía dos ventajas. [29] Una era que al usar la relación de vueltas correcta, la impedancia de la antena podía coincidir con la impedancia del receptor, para transferir la máxima potencia de RF al receptor. La coincidencia de impedancia era importante para lograr el máximo rango de recepción en los receptores no amplificados de esta era. [25] [29] Las bobinas generalmente tenían tomas que podían seleccionarse mediante un interruptor multiposición. La segunda ventaja era que debido al "acoplamiento flexible" tenía un ancho de banda mucho más estrecho que un circuito sintonizado simple , y el ancho de banda podía ajustarse. [28] [77] A diferencia de un transformador ordinario, las dos bobinas estaban "acopladas de forma flexible"; separadas físicamente, de modo que no todo el campo magnético del primario pasaba por el secundario, lo que reducía la inductancia mutua . Esto le daba a los circuitos sintonizados acoplados una sintonización mucho más "nítida", un ancho de banda más estrecho que un circuito sintonizado único. En el acoplador suelto "tipo Marina" (ver imagen) , ampliamente utilizado con receptores de cristal , la bobina secundaria más pequeña estaba montada en un bastidor que podía deslizarse dentro o fuera de la bobina primaria, para variar la inductancia mutua entre las bobinas. [28] [78] Cuando el operador encontraba una señal de interferencia en una frecuencia cercana, el secundario podía deslizarse más lejos del primario, reduciendo el acoplamiento, lo que estrechaba el ancho de banda, rechazando la señal de interferencia. Una desventaja era que los tres ajustes en el acoplador suelto (sintonización primaria, sintonización secundaria y acoplamiento) eran interactivos; cambiar uno cambiaba los otros. Por lo tanto, sintonizar una nueva estación era un proceso de ajustes sucesivos.
La selectividad se volvió más importante a medida que los transmisores de chispa fueron reemplazados por transmisores de onda continua que transmitían en una banda estrecha de frecuencias, y la radiodifusión condujo a una proliferación de estaciones de radio muy espaciadas que abarrotaban el espectro radioeléctrico. [29] Los transformadores resonantes continuaron utilizándose como filtro de paso de banda en radios de tubo de vacío, y se inventaron nuevas formas como el variómetro . [78] [79] Otra ventaja del transformador de doble sintonización para la recepción de AM era que cuando se ajustaba correctamente tenía una curva de respuesta de frecuencia de "parte superior plana" en oposición a la respuesta de "pico" de un solo circuito sintonizado. [80] Esto le permitía pasar las bandas laterales de modulación de AM en ambos lados de la portadora con poca distorsión, a diferencia de un solo circuito sintonizado que atenuaba las frecuencias de audio más altas. Hasta hace poco, los filtros de paso de banda en el circuito superheterodino utilizado en todos los receptores modernos se fabricaban con transformadores resonantes, llamados transformadores de FI .
El sistema de radio inicial de Marconi tenía una sintonización relativamente pobre que limitaba su alcance y aumentaba las interferencias. [81] Para superar este inconveniente, desarrolló un sistema de cuatro circuitos con bobinas sintonizadas en " sintonia " tanto en los transmisores como en los receptores. [81] Su patente británica #7,777 (cuatro sietes) de 1900 para sintonización presentada en abril de 1900 y otorgada un año después abrió la puerta a disputas de patentes ya que infringía las patentes sintónicas de Oliver Lodge, presentadas por primera vez en mayo de 1897, así como las patentes presentadas por Ferdinand Braun . [81] Marconi pudo obtener patentes en el Reino Unido y Francia, pero la versión estadounidense de su patente de cuatro circuitos sintonizados, presentada en noviembre de 1900, fue rechazada inicialmente debido a que se anticipó al sistema de sintonización de Lodge, y las versiones presentadas nuevamente fueron rechazadas debido a las patentes anteriores de Braun y Lodge. [82] Una aclaración adicional y una nueva presentación fueron rechazadas porque infringían partes de dos patentes anteriores que Tesla había obtenido para su sistema de transmisión de energía inalámbrica. [83] Los abogados de Marconi lograron que otro examinador reconsiderara una patente presentada nuevamente que inicialmente la rechazó debido a una patente de sintonización preexistente de John Stone Stone , pero finalmente fue aprobada en junio de 1904 con base en que tenía un sistema único de sintonización de inductancia variable que era diferente al de Stone [84] [85] que sintonizaba variando la longitud de la antena. [82] Cuando la patente Syntonic de Lodge se extendió en 1911 por otros 7 años, la Compañía Marconi acordó resolver esa disputa de patentes, comprando la compañía de radio de Lodge con su patente en 1912, dándoles la patente prioritaria que necesitaban. [86] [87] Otras disputas de patentes surgirían a lo largo de los años, incluyendo un fallo de la Corte Suprema de los Estados Unidos de 1943 sobre la capacidad de la Compañía Marconi de demandar al gobierno de los Estados Unidos por violación de patentes durante la Primera Guerra Mundial. La Corte rechazó la demanda de la Compañía Marconi diciendo que no podían demandar por violación de patentes cuando sus propias patentes no parecían tener prioridad sobre las patentes de Lodge, Stone y Tesla. [32] [70]
Aunque fue inventado en 1904 en la era de la telegrafía inalámbrica, el receptor de radio de cristal también podía rectificar transmisiones AM y sirvió como puente hacia la era de la radiodifusión. Además de ser el tipo principal utilizado en estaciones comerciales durante la era de la telegrafía inalámbrica, fue el primer receptor en ser utilizado ampliamente por el público. [88] Durante las dos primeras décadas del siglo XX, cuando las estaciones de radio comenzaron a transmitir voz en AM ( radiotelefonía ) en lugar de radiotelegrafía, escuchar radio se convirtió en un pasatiempo popular y el cristal era el detector más simple y económico. Los millones de personas que compraron o fabricaron en casa estos receptores económicos y confiables crearon la audiencia masiva de escuchas para las primeras transmisiones de radio , que comenzaron alrededor de 1920. [89] A fines de la década de 1920, el receptor de cristal fue reemplazado por receptores de tubo de vacío y se volvió comercialmente obsoleto. Sin embargo, continuó siendo utilizado por jóvenes y pobres hasta la Segunda Guerra Mundial . [88] Hoy en día, estos simples receptores de radio son construidos por estudiantes como proyectos científicos educativos.
La radio de cristal utilizaba un detector de bigotes de gato , inventado por Harrison HC Dunwoody y Greenleaf Whittier Pickard en 1904, para extraer el audio de la señal de radiofrecuencia. [29] [51] [90] Consistía en un cristal mineral, generalmente galena , que se tocaba ligeramente con un alambre fino y elástico (el "bigote de gato") en un brazo ajustable. [51] [91] La unión semiconductora rudimentaria resultante funcionaba como un diodo de barrera Schottky , conduciendo en una sola dirección. Solo sitios particulares en la superficie del cristal funcionaban como uniones de detector, y la unión podía interrumpirse con la más mínima vibración. Entonces, un sitio utilizable se encontraba por ensayo y error antes de cada uso; el operador arrastraba el bigote de gato a través del cristal hasta que la radio comenzaba a funcionar. Frederick Seitz, un investigador de semiconductores posterior, escribió:
Esta variabilidad, que rayaba en lo místico, afectó la historia temprana de los detectores de cristal y provocó que muchos de los expertos en tubos de vacío de una generación posterior consideraran que el arte de la rectificación de cristales era casi desacreditable. [92]
La radio de cristal no estaba amplificada y funcionaba con la potencia de las ondas de radio recibidas de la estación de radio, por lo que tenía que escucharse con auriculares ; no podía hacer funcionar un altavoz . [29] [91] Requería una antena de cable largo, y su sensibilidad dependía de lo grande que fuera la antena. Durante la era inalámbrica se utilizó en estaciones de onda larga comerciales y militares con antenas enormes para recibir tráfico radiotelegráfico de larga distancia, incluso incluido el tráfico transatlántico. [93] [94] Sin embargo, cuando se usaba para recibir estaciones de transmisión, un equipo de cristal doméstico típico tenía un alcance más limitado de aproximadamente 25 millas. [95] En las radios de cristal sofisticadas, se utilizó el circuito sintonizado acoplado inductivamente de "acoplador suelto" para aumentar la Q. Sin embargo, todavía tenía una selectividad pobre en comparación con los receptores modernos. [91]
A partir de 1905, los transmisores de onda continua (OC) comenzaron a reemplazar a los transmisores de chispa para la radiotelegrafía porque tenían un alcance mucho mayor. Los primeros transmisores de onda continua fueron el arco Poulsen, inventado en 1904, y el alternador Alexanderson, desarrollado entre 1906 y 1910, que fueron reemplazados por transmisores de tubo de vacío a partir de 1920. [24]
Las señales radiotelegráficas de onda continua producidas por estos transmisores requerían un método de recepción diferente. [96] [97] Las señales radiotelegráficas producidas por transmisores de chispa consistían en cadenas de ondas amortiguadas que se repetían a una velocidad de audio, por lo que los "puntos" y "rayas" del código Morse eran audibles como un tono o zumbido en los auriculares de los receptores. Sin embargo, las nuevas señales radiotelegráficas de onda continua simplemente consistían en pulsos de portadora no modulada ( ondas sinusoidales ). Estos eran inaudibles en los auriculares del receptor. Para recibir este nuevo tipo de modulación, el receptor tenía que producir algún tipo de tono durante los pulsos de portadora.
El primer dispositivo rudimentario que hizo esto fue el tikker , inventado en 1908 por Valdemar Poulsen . [48] [96] [98] Este era un interruptor vibratorio con un condensador a la salida del sintonizador que servía como un modulador rudimentario , interrumpiendo la portadora a una velocidad de audio, produciendo así un zumbido en el auricular cuando la portadora estaba presente. [11] Un dispositivo similar fue la "rueda fónica" inventada por Rudolph Goldschmidt , una rueda girada por un motor con contactos espaciados alrededor de su circunferencia, que hacía contacto con un cepillo estacionario.
En 1901 Reginald Fessenden había inventado un mejor medio para lograr esto. [96] [98] [99] [100] En su receptor heterodino, una señal de radio de onda sinusoidal no modulada a una frecuencia f O desfasada de la portadora de onda de radio entrante f C era generada por un oscilador local y aplicada a un detector rectificador como un detector de cristal o un detector electrolítico , junto con la señal de radio de la antena. En el detector, las dos señales se mezclaban, creando dos nuevas frecuencias heterodinas ( de batido ) en la suma f C + f O y la diferencia f C − f O entre estas frecuencias. Al elegir f O correctamente, la heterodina inferior f C − f O estaba en el rango de frecuencia de audio , por lo que era audible como un tono en el auricular siempre que la portadora estuviera presente. Así, los "puntos" y "rayas" del código Morse eran audibles como "pitidos" musicales. Una de las principales atracciones de este método durante el período de preamplificación era que el receptor heterodino en realidad amplificaba un poco la señal y el detector tenía "ganancia de mezclador". [98]
El receptor se adelantó a su tiempo, porque cuando se inventó no había ningún oscilador capaz de producir la onda sinusoidal de radiofrecuencia f O con la estabilidad requerida. [101] Fessenden utilizó por primera vez su gran alternador de radiofrecuencia , [11] pero esto no era práctico para los receptores ordinarios. El receptor heterodino siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que apareció una fuente compacta y barata de ondas continuas, el oscilador electrónico de tubo de vacío [98] inventado por Edwin Armstrong y Alexander Meissner en 1913. [48] [102] Después de esto se convirtió en el método estándar de recepción de radiotelegrafía de onda continua. El oscilador heterodino es el antecesor del oscilador de frecuencia de batido (BFO) que se utiliza para recibir radiotelegrafía en los receptores de comunicaciones actuales. El oscilador heterodino tenía que ser resintonizado cada vez que el receptor se sintonizaba en una nueva estación, pero en los receptores superheterodinos modernos la señal BFO late con la frecuencia intermedia fija , por lo que el oscilador de frecuencia de batido puede ser una frecuencia fija.
Armstrong utilizó posteriormente el principio heterodino de Fessenden en su receptor superheterodino (abajo) . [98] [11]
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El tubo de vacío Audion ( triodo ) inventado por Lee De Forest en 1906 fue el primer dispositivo amplificador práctico y revolucionó la radio. [58] Los transmisores de tubo de vacío reemplazaron a los transmisores de chispa e hicieron posibles cuatro nuevos tipos de modulación : radiotelegrafía de onda continua (CW), modulación de amplitud (AM) alrededor de 1915 que podía transportar audio (sonido), modulación de frecuencia (FM) alrededor de 1938 que había mejorado mucho la calidad de audio, y banda lateral única (SSB).
El tubo de vacío amplificador utilizaba energía de una batería o una toma eléctrica para aumentar la potencia de la señal de radio, por lo que los receptores de tubo de vacío podían ser más sensibles y tener un mayor rango de recepción que los receptores no amplificados anteriores. La mayor potencia de salida de audio también les permitió manejar altavoces en lugar de auriculares , lo que permitía que más de una persona escuchara. Los primeros altavoces se produjeron alrededor de 1915. Estos cambios hicieron que escuchar radio evolucionara explosivamente de un pasatiempo solitario a un pasatiempo social y familiar popular. El desarrollo de la modulación de amplitud (AM) y los transmisores de tubo de vacío durante la Primera Guerra Mundial, y la disponibilidad de tubos receptores baratos después de la guerra, prepararon el escenario para el inicio de la transmisión AM , que surgió espontáneamente alrededor de 1920.
La llegada de la radiodifusión aumentó enormemente el mercado de receptores de radio y los transformó en un producto de consumo. [103] [104] [105] A principios de la década de 1920, el receptor de radio era un dispositivo de alta tecnología prohibitivo, con muchas perillas y controles crípticos que requerían habilidad técnica para operar, alojados en una caja de metal negra poco atractiva, con un altavoz de bocina de sonido metálico . [104] En la década de 1930, el receptor de radiodifusión se había convertido en un mueble, alojado en una atractiva caja de madera, con controles estandarizados que cualquiera podía usar, que ocupaba un lugar respetado en la sala de estar de la casa. En las primeras radios, los circuitos de sintonización múltiple requerían que se ajustaran múltiples perillas para sintonizar una nueva estación. Una de las innovaciones más importantes en facilidad de uso fue la "sintonización con una sola perilla", que se logró vinculando los condensadores de sintonización entre sí mecánicamente. [104] [105] El altavoz de cono dinámico inventado en 1924 mejoró enormemente la respuesta de frecuencia de audio con respecto a los altavoces de bocina anteriores, lo que permitió reproducir música con buena fidelidad. [104] [106] Se agregaron características de conveniencia como diales iluminados grandes, controles de tono , sintonización con botones, indicadores de sintonización y control automático de ganancia (AGC). [103] [105] El mercado de receptores se dividió en los receptores de transmisión y receptores de comunicaciones anteriores , que se usaban para comunicaciones de radio bidireccionales como la radio de onda corta . [107]
Un receptor de tubo de vacío requería varias fuentes de alimentación de diferentes voltajes, que en las primeras radios se suministraban mediante baterías independientes. En 1930 se desarrollaron tubos rectificadores adecuados y las costosas baterías se reemplazaron por una fuente de alimentación con transformador que funcionaba con la corriente doméstica. [103] [104]
Los tubos de vacío eran voluminosos, caros, tenían una vida útil limitada, consumían una gran cantidad de energía y producían mucho calor residual, por lo que la cantidad de tubos que un receptor podía tener económicamente era un factor limitante. Por lo tanto, un objetivo del diseño de receptores de tubos era obtener el máximo rendimiento de un número limitado de tubos. Los principales diseños de receptores de radio, que se enumeran a continuación, se inventaron durante la era de los tubos de vacío.
Un defecto en muchos de los primeros receptores de tubo de vacío era que las etapas amplificadoras podían oscilar, actuar como un oscilador , produciendo corrientes alternas de radiofrecuencia no deseadas. [29] [108] [109] Estas oscilaciones parásitas se mezclaban con la portadora de la señal de radio en el tubo detector, produciendo notas audibles ( heterodinos ) ; silbidos, gemidos y aullidos molestos en el altavoz. Las oscilaciones eran causadas por la retroalimentación en los amplificadores; una importante vía de retroalimentación era la capacitancia entre la placa y la rejilla en los primeros triodos . [108] [109] Esto se resolvió con el circuito Neutrodyne , y más tarde con el desarrollo del tetrodo y el pentodo alrededor de 1930.
Edwin Armstrong es una de las figuras más importantes en la historia de los receptores de radio, y durante este período inventó la tecnología que continúa dominando la comunicación por radio. [11] Fue el primero en dar una explicación correcta de cómo funcionaba el tubo triodo de De Forest. Inventó el oscilador de realimentación , el receptor regenerativo , el receptor superregenerativo , el receptor superheterodino y la modulación de frecuencia (FM) moderna.
El primer tubo de vacío amplificador, el Audion , un triodo rudimentario , fue inventado en 1906 por Lee De Forest como un detector más sensible para receptores de radio, añadiendo un tercer electrodo al detector de diodo termoiónico, la válvula Fleming . [58] [79] [110] [111] No se utilizó ampliamente hasta que se reconoció su capacidad amplificadora alrededor de 1912. [58] Los primeros receptores de tubo, inventados por De Forest y construidos por aficionados hasta mediados de la década de 1920, utilizaban un solo Audion que funcionaba como un detector de fugas de rejilla que rectificaba y amplificaba la señal de radio. [79] [108] [112] Hubo incertidumbre sobre el principio de funcionamiento del Audion hasta que Edwin Armstrong explicó sus funciones de amplificación y demodulación en un artículo de 1914. [113] [114] [115] El circuito detector de fugas de red también se utilizó en receptores regenerativos , TRF y primeros superheterodinos (abajo) hasta la década de 1930.
Para proporcionar suficiente potencia de salida para accionar un altavoz, se necesitaban 2 o 3 etapas de tubo de vacío adicionales para la amplificación de audio. [79] Muchos de los primeros aficionados solo podían permitirse un único receptor de tubo y escuchaban la radio con auriculares, por lo que los primeros amplificadores de tubo y altavoces se vendieron como complementos.
Además de una ganancia muy baja de aproximadamente 5 y una vida útil corta de aproximadamente 30 a 100 horas, el primitivo Audion tenía características erráticas porque estaba evacuado de forma incompleta. De Forest creía que la ionización del aire residual era clave para el funcionamiento de Audion. [116] [117] Esto lo convirtió en un detector más sensible [116] pero también provocó que sus características eléctricas variaran durante el uso. [79] [110] A medida que el tubo se calentaba, el gas liberado de los elementos metálicos cambiaba la presión en el tubo, cambiando la corriente de placa y otras características, por lo que requería ajustes periódicos de polarización para mantenerlo en el punto de funcionamiento correcto. Cada etapa de Audion generalmente tenía un reóstato para ajustar la corriente del filamento y, a menudo, un potenciómetro o interruptor multiposición para controlar el voltaje de la placa. El reóstato del filamento también se usaba como control de volumen. Los numerosos controles hicieron que los receptores Audion multitubo fueran complicados de operar.
En 1914, Harold Arnold de Western Electric e Irving Langmuir de GE se dieron cuenta de que el gas residual no era necesario; el Audion podía funcionar solo con conducción de electrones. [110] [116] [117] Evacuaron los tubos a una presión más baja de 10 −9 atm, produciendo los primeros triodos de "vacío duro". Estos tubos más estables no requerían ajustes de polarización, por lo que las radios tenían menos controles y eran más fáciles de operar. [110] Durante la Primera Guerra Mundial , se prohibió el uso de radios civiles, pero en 1920 comenzó la producción a gran escala de radios de tubo de vacío. Los tubos "blandos" evacuados de forma incompleta se utilizaron como detectores durante la década de 1920 y luego se volvieron obsoletos.
El receptor regenerativo , inventado por Edwin Armstrong [118] en 1913 cuando era un estudiante universitario de 23 años, [119] se usó ampliamente hasta fines de la década de 1920, particularmente por aficionados que solo podían permitirse una radio de un solo tubo. Hoy en día, las versiones de transistores del circuito todavía se usan en unas pocas aplicaciones económicas como walkie-talkies . En el receptor regenerativo, la ganancia (amplificación) de un tubo de vacío o transistor se aumenta mediante el uso de regeneración ( retroalimentación positiva ); parte de la energía del circuito de salida del tubo se devuelve al circuito de entrada con un bucle de retroalimentación . [29] [108] [120] [121] [122] Los primeros tubos de vacío tenían una ganancia muy baja (alrededor de 5). La regeneración no sólo podía aumentar enormemente la ganancia del tubo, por un factor de 15.000 o más, sino que también aumentaba el factor Q del circuito sintonizado, disminuyendo (agudizando) el ancho de banda del receptor por el mismo factor, mejorando enormemente la selectividad . [108] [120] [121] El receptor tenía un control para ajustar la retroalimentación. El tubo también actuaba como un detector de fugas de la rejilla para rectificar la señal de AM. [108]
Otra ventaja del circuito era que se podía hacer oscilar el tubo, y así un solo tubo podía servir como oscilador de frecuencia de batido y como detector, funcionando como un receptor heterodino para hacer audibles las transmisiones de radiotelegrafía de onda continua . [108] [120] [121] Este modo se llamaba receptor autodino . Para recibir radiotelegrafía, se aumentaba la retroalimentación hasta que el tubo oscilaba, luego la frecuencia de oscilación se sintonizaba a un lado de la señal transmitida. La señal portadora de radio entrante y la señal de oscilación local se mezclaban en el tubo y producían un tono heterodino (de batido) audible en la diferencia entre las frecuencias.
Un diseño ampliamente utilizado fue el circuito Armstrong , en el que una bobina "tickler" en el circuito de placas se acopló a la bobina de sintonización en el circuito de rejilla, para proporcionar la retroalimentación. [29] [108] [122] La retroalimentación se controlaba mediante una resistencia variable, o alternativamente moviendo los dos devanados físicamente más cerca para aumentar la ganancia del bucle, o separándolos para reducirla. [120] Esto se hizo mediante un transformador de núcleo de aire ajustable llamado variómetro (varioacoplador). Los detectores regenerativos también se usaron a veces en receptores TRF y superheterodinos.
Un problema con el circuito regenerativo era que cuando se usaba con grandes cantidades de regeneración, la selectividad (Q) del circuito sintonizado podía ser demasiado aguda, atenuando las bandas laterales de AM y distorsionando así la modulación de audio. [123] Este era generalmente el factor limitante en la cantidad de retroalimentación que se podía emplear.
Un inconveniente más grave era que podía actuar como un transmisor de radio inadvertido , produciendo interferencias ( RFI ) en receptores cercanos. [29] [108] [120] [121] [122] [124] En la recepción de AM, para obtener la mayor sensibilidad, el tubo se operaba muy cerca de la inestabilidad y podía oscilar fácilmente (y en la recepción de CW oscilaba ), y la señal de radio resultante era radiada por su antena de cable. En receptores cercanos, la señal del regenerativo batiría con la señal de la estación que se recibía en el detector, creando heterodinos molestos ( batido ), aullidos y silbidos. [29] Los primeros regenerativos que oscilaban fácilmente se llamaban "bloopers". Una medida preventiva fue utilizar una etapa de amplificación de RF antes del detector regenerativo, para aislarlo de la antena. [108] [120] Pero a mediados de la década de 1920, los principales fabricantes de radio ya no vendían "regens". [29]
Este fue un receptor inventado por Edwin Armstrong en 1922 que utilizaba la regeneración de una manera más sofisticada, para dar mayor ganancia. [109] [125] [126] [127] [128] Se utilizó en algunos receptores de onda corta en la década de 1930, y se utiliza hoy en día en algunas aplicaciones baratas de alta frecuencia como walkie-talkies y abridores de puertas de garaje .
En el receptor regenerativo, la ganancia del bucle del bucle de retroalimentación era menor que uno, por lo que el tubo (u otro dispositivo amplificador) no oscilaba, pero estaba cerca de oscilar, lo que generaba una gran ganancia. [125] En el receptor superregenerativo, la ganancia del bucle se hizo igual a uno, por lo que el dispositivo amplificador en realidad comenzó a oscilar, pero las oscilaciones se interrumpieron periódicamente. [109] [12] Esto permitió que un solo tubo produjera ganancias de más de 10 6 .
El receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF) , inventado en 1916 por Ernst Alexanderson , mejoró tanto la sensibilidad como la selectividad al utilizar varias etapas de amplificación antes del detector, cada una con un circuito sintonizado , todos sintonizados a la frecuencia de la estación. [29] [109] [12] [129] [130]
Un problema importante de los primeros receptores TRF era que eran complicados de sintonizar, porque cada circuito resonante tenía que ajustarse a la frecuencia de la estación antes de que la radio funcionara. [29] [109] En los receptores TRF posteriores, los condensadores de sintonización estaban unidos mecánicamente ("agrupados") en un eje común para que pudieran ajustarse con una perilla, pero en los primeros receptores las frecuencias de los circuitos sintonizados no podían "seguirse" lo suficientemente bien como para permitir esto, y cada circuito sintonizado tenía su propia perilla de sintonización. [12] [131] Por lo tanto, las perillas tenían que girarse simultáneamente. Por esta razón, la mayoría de los equipos TRF no tenían más de tres etapas de RF sintonizadas. [108] [123]
Un segundo problema era que las múltiples etapas de radiofrecuencia, todas sintonizadas a la misma frecuencia, eran propensas a oscilar, [131] [132] y las oscilaciones parásitas se mezclaban con la portadora de la estación de radio en el detector, produciendo heterodinos audibles ( notas batientes ), silbidos y gemidos, en el altavoz. [29] [108] [109] [130] Esto se resolvió con la invención del circuito Neutrodino (abajo) y el desarrollo del tetrodo más tarde alrededor de 1930, y un mejor blindaje entre etapas. [130]
En la actualidad, el diseño TRF se utiliza en algunos chips receptores integrados (IC). Desde el punto de vista de los receptores modernos, la desventaja del TRF es que la ganancia y el ancho de banda de las etapas de RF sintonizadas no son constantes, sino que varían a medida que el receptor se sintoniza a diferentes frecuencias. [132] Dado que el ancho de banda de un filtro con una Q dada es proporcional a la frecuencia, a medida que el receptor se sintoniza a frecuencias más altas, su ancho de banda aumenta. [14] [18]
El receptor Neutrodyne, inventado en 1922 por Louis Hazeltine , [133] [134] era un receptor TRF con un circuito "neutralizador" añadido a cada etapa de amplificación de radio para cancelar la retroalimentación y evitar las oscilaciones que causaban los molestos silbidos en el TRF. [29] [109] [130] [131] [135] En el circuito neutralizador, un condensador alimentaba una corriente de retroalimentación desde el circuito de placas al circuito de rejilla que estaba desfasada 180° con la retroalimentación que causaba la oscilación, cancelándola. [108] El Neutrodyne fue popular hasta la llegada de los baratos tubos tetrodos alrededor de 1930.
El receptor réflex , inventado en 1914 por Wilhelm Schloemilch y Otto von Bronk, [136] y redescubierto y extendido a múltiples tubos en 1917 por Marius Latour [136] [137] y William H. Priess, fue un diseño utilizado en algunas radios económicas de la década de 1920 [138] que disfrutó de un resurgimiento en pequeñas radios de tubo portátiles de la década de 1930 [139] y nuevamente en algunas de las primeras radios de transistores en la década de 1950. [109] [140] Es otro ejemplo de un circuito ingenioso inventado para aprovechar al máximo un número limitado de dispositivos activos. En el receptor réflex, la señal de RF del circuito sintonizado pasa a través de uno o más tubos amplificadores o transistores, se demodula en un detector , luego la señal de audio resultante pasa nuevamente a través de las mismas etapas de amplificación para la amplificación de audio. [109] Las señales de radio y audio separadas presentes simultáneamente en el amplificador no interfieren entre sí ya que están en frecuencias diferentes, lo que permite que los tubos amplificadores cumplan una "doble función". Además de los receptores reflex de un solo tubo, algunos receptores TRF y superheterodinos tenían varias etapas "reflejadas". [140] Las radios reflex eran propensas a un defecto llamado "play-through" que significaba que el volumen del audio no bajaba a cero cuando se bajaba el control de volumen. [140]
El superheterodino , inventado en 1918 durante la Primera Guerra Mundial por Edwin Armstrong [10] cuando estaba en el Cuerpo de Señales , es el diseño utilizado en casi todos los receptores modernos, excepto unas pocas aplicaciones especializadas. [11] [12] [13] Es un diseño más complicado que los otros receptores anteriores, y cuando se inventó requería de 6 a 9 tubos de vacío, lo que lo colocaba fuera del presupuesto de la mayoría de los consumidores, por lo que inicialmente se usó principalmente en estaciones de comunicación comerciales y militares. [15] Sin embargo, en la década de 1930, el "superheterodino" había reemplazado a todos los demás tipos de receptores anteriores.
En el superheterodino, se utiliza la técnica " heterodina " inventada por Reginald Fessenden para cambiar la frecuencia de la señal de radio a una " frecuencia intermedia " (FI) más baja, antes de procesarla. [14] [15] [16] Su funcionamiento y ventajas sobre los otros diseños de radio de esta sección se describen anteriormente en El diseño del superheterodino.
En la década de 1940, el receptor de radiodifusión AM superheterodino se perfeccionó hasta convertirse en un diseño de fabricación económica llamado " All American Five ", porque solo utilizaba cinco tubos de vacío: normalmente un convertidor (mezclador/oscilador local), un amplificador de FI, un detector/amplificador de audio, un amplificador de potencia de audio y un rectificador. Este diseño se utilizó en prácticamente todos los receptores de radio comerciales hasta que el transistor sustituyó al tubo de vacío en la década de 1970.
La invención del transistor en 1947 revolucionó la tecnología de la radio, haciendo posible la creación de receptores verdaderamente portátiles, comenzando con las radios de transistores a fines de la década de 1950. Aunque se fabricaron radios portátiles a válvulas, las válvulas eran voluminosas e ineficientes, consumían grandes cantidades de energía y requerían varias baterías grandes para producir el voltaje del filamento y la placa. Los transistores no requerían un filamento calentado, lo que reducía el consumo de energía, y eran más pequeños y mucho menos frágiles que las válvulas de vacío.
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Las primeras radios portátiles a válvulas que se empezaron a fabricar poco después del inicio de la radiodifusión comercial a principios de la década de 1920 fueron fabricadas por las empresas. La gran mayoría de las radios a válvulas de la época utilizaban baterías y podían instalarse y utilizarse en cualquier lugar, pero la mayoría no tenían características diseñadas para la portabilidad, como asas y altavoces integrados. Algunas de las primeras radios portátiles a válvulas fueron la Winn "Portable Wireless Set No. 149" que apareció en 1920 y la Grebe Model KT-1 que le siguió un año después. Los equipos de cristal como la Westinghouse Aeriola Jr. y la RCA Radiola 1 también se anunciaban como radios portátiles. [141]
Gracias a los tubos de vacío miniaturizados desarrollados por primera vez en 1940, aparecieron en el mercado radios portátiles más pequeñas de fabricantes como Zenith y General Electric . Introducida por primera vez en 1942, la línea Trans-Oceanic de radios portátiles de Zenith fue diseñada para proporcionar transmisiones de entretenimiento, además de poder sintonizar estaciones meteorológicas, marinas y de onda corta internacionales. En la década de 1950, una "época dorada" de portátiles de tubo incluía radios de tubo del tamaño de una lonchera como la Emerson 560, que presentaba cajas de plástico moldeado. Las llamadas radios "portátiles de bolsillo" como la RCA BP10 habían existido desde la década de 1940, pero su tamaño real era compatible solo con los bolsillos más grandes de los abrigos. [141] Pero algunas, como las radios de bolsillo Privat-ear y Dyna-mite, eran lo suficientemente pequeñas como para caber en un bolsillo. [142] [143]
El desarrollo del transistor de unión bipolar a principios de la década de 1950 dio como resultado que se le otorgaran licencias a varias empresas de electrónica, como Texas Instruments , que produjo una serie limitada de radios transistorizadas como herramienta de ventas. El Regency TR-1 , fabricado por la División Regency de IDEA (Industrial Development Engineering Associates) de Indianápolis, Indiana, se lanzó en 1951. Siguió la era de las radios portátiles reales del tamaño de un bolsillo de camisa, con fabricantes como Sony , Zenith, RCA, DeWald y Crosley ofreciendo varios modelos. [141] El Sony TR-63 lanzado en 1957 fue la primera radio de transistores producida en masa , lo que llevó a la penetración en el mercado masivo de las radios de transistores. [144]
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El desarrollo de los chips de circuitos integrados (CI) en la década de 1970 creó otra revolución, al permitir que un receptor de radio completo se colocara en un chip de CI. Los chips de CI revirtieron la economía del diseño de radio utilizado con receptores de tubo de vacío. Dado que el costo marginal de agregar dispositivos amplificadores adicionales (transistores) al chip era esencialmente cero, el tamaño y el costo del receptor no dependían de cuántos componentes activos se usaran, sino de los componentes pasivos; inductores y capacitores, que no se podían integrar fácilmente en el chip. [22] El desarrollo de chips CMOS de RF , iniciado por Asad Ali Abidi en la UCLA durante las décadas de 1980 y 1990, permitió que se fabricaran dispositivos inalámbricos de bajo consumo. [146]
La tendencia actual en los receptores es utilizar circuitos digitales en el chip para realizar funciones que antes se hacían con circuitos analógicos que requieren componentes pasivos. En un receptor digital, la señal IF se muestrea y digitaliza, y las funciones de filtrado y detección de paso de banda las realiza el procesamiento de señales digitales (DSP) en el chip. Otro beneficio del DSP es que las propiedades del receptor (frecuencia del canal, ancho de banda, ganancia, etc.) se pueden cambiar dinámicamente mediante software para reaccionar a los cambios en el entorno; estos sistemas se conocen como radios definidas por software o radio cognitiva .
Muchas de las funciones que realiza la electrónica analógica pueden ser realizadas por software . La ventaja es que el software no se ve afectado por la temperatura, las variables físicas, el ruido electrónico y los defectos de fabricación. [147]
El procesamiento de señales digitales permite técnicas de procesamiento de señales que serían engorrosas, costosas o inviables con métodos analógicos. Una señal digital es esencialmente un flujo o secuencia de números que transmiten un mensaje a través de algún tipo de medio, como un cable. El hardware DSP puede adaptar el ancho de banda del receptor a las condiciones de recepción actuales y al tipo de señal. Un receptor analógico típico puede tener un número limitado de anchos de banda fijos, o solo uno, pero un receptor DSP puede tener 40 o más filtros seleccionables individualmente. El DSP se utiliza en sistemas de telefonía celular para reducir la velocidad de datos necesaria para transmitir voz.
En los sistemas de transmisión de radio digital , como la transmisión de audio digital (DAB), la señal de audio analógica se digitaliza y se comprime , generalmente utilizando un formato de codificación de audio de transformada de coseno discreta modificada (MDCT), como AAC+ . [148]
Las "radios para PC", o radios diseñadas para ser controladas por una PC estándar, se controlan mediante un software de PC especializado que utiliza un puerto serial conectado a la radio. Una "radio para PC" puede no tener ningún panel frontal y puede estar diseñada exclusivamente para el control por computadora, lo que reduce el costo.
Algunas radios para PC tienen la gran ventaja de que el propietario puede actualizarlas en campo. Se pueden descargar nuevas versiones del firmware del DSP desde el sitio web del fabricante y cargarlas en la memoria flash de la radio. El fabricante puede entonces agregar nuevas funciones a la radio con el tiempo, como agregar nuevos filtros, reducción de ruido del DSP o simplemente corregir errores.
Un programa de control de radio con todas las funciones permite realizar escaneos y una serie de otras funciones y, en particular, la integración de bases de datos en tiempo real, como una función de tipo "TV-Guide". Esto resulta especialmente útil para localizar todas las transmisiones en todas las frecuencias de una emisora en particular, en un momento dado. Algunos diseñadores de software de control incluso han integrado Google Earth en las bases de datos de onda corta, de modo que es posible "volar" a una ubicación de transmisión determinada con un clic del ratón. En muchos casos, el usuario puede ver las antenas de transmisión de donde se origina la señal.
Dado que la interfaz gráfica de usuario de la radio tiene una flexibilidad considerable, el diseñador del software puede agregar nuevas funciones. Las funciones que se pueden encontrar en los programas de software de control avanzados actuales incluyen una tabla de bandas, controles de interfaz gráfica de usuario correspondientes a los controles de radio tradicionales, reloj de hora local y reloj UTC , medidor de intensidad de señal, una base de datos para escuchar ondas cortas con capacidad de búsqueda, capacidad de escaneo o interfaz de texto a voz .
El siguiente nivel de integración es la " radio definida por software ", en la que todo el filtrado, la modulación y la manipulación de la señal se realizan mediante software. Puede tratarse de una tarjeta de sonido de PC o de un hardware DSP dedicado. Habrá un front-end de RF para suministrar una frecuencia intermedia a la radio definida por software. Estos sistemas pueden proporcionar una capacidad adicional a los receptores de "hardware". Por ejemplo, pueden grabar grandes franjas del espectro de radio en un disco duro para su "reproducción" en una fecha posterior. El mismo SDR que en un momento está demodulando una simple transmisión de AM también puede ser capaz de decodificar una transmisión de HDTV en el siguiente. Un proyecto de código abierto llamado GNU Radio se dedica a desarrollar un SDR de alto rendimiento.
Los transmisores y receptores de radio totalmente digitales presentan la posibilidad de avanzar en las capacidades de la radio. [149]
señalización selectiva.
acoplador suelto variómetro varioacoplador.
Tikker heterodino.
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