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 para el 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 muestra 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 por 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 transmisor se encendía y apagaba rápidamente por el operador 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 débil" 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 débilmente"; separadas físicamente para que no todo el campo magnético del primario pasara a través del secundario, lo que reducía la inductancia mutua . Esto le dio 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 "pico" de un solo circuito sintonizado. [80] Esto le permitió 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 hacían 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 barato. Los millones de personas que compraron o fabricaron en casa estos receptores confiables y económicos 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, normalmente galena , que se tocaba ligeramente con un fino alambre 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 verse alterada por la más mínima vibración. Así que se encontraba un sitio utilizable por ensayo y error antes de cada uso; el operador arrastraba el bigote de gato por el 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 se aplicó 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 mezclaron, 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 f C − f O más baja 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. Por lo tanto, 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]
A vacuum-tube receiver required several power supplies at different voltages, which in early radios were supplied by separate batteries. By 1930 adequate rectifier tubes were developed, and the expensive batteries were replaced by a transformer power supply that worked off the house current.[103][104]
Vacuum tubes were bulky, expensive, had a limited lifetime, consumed a large amount of power and produced a lot of waste heat, so the number of tubes a receiver could economically have was a limiting factor. Therefore, a goal of tube receiver design was to get the most performance out of a limited number of tubes. The major radio receiver designs, listed below, were invented during the vacuum tube era.
A defect in many early vacuum-tube receivers was that the amplifying stages could oscillate, act as an oscillator, producing unwanted radio frequency alternating currents.[29][108][109] These parasitic oscillations mixed with the carrier of the radio signal in the detector tube, producing audible beat notes (heterodynes); annoying whistles, moans, and howls in the speaker. The oscillations were caused by feedback in the amplifiers; one major feedback path was the capacitance between the plate and grid in early triodes.[108][109] This was solved by the Neutrodyne circuit, and later the development of the tetrode and pentode around 1930.
Edwin Armstrong is one of the most important figures in radio receiver history, and during this period invented technology which continues to dominate radio communication.[11] He was the first to give a correct explanation of how De Forest's triode tube worked. He invented the feedback oscillator, regenerative receiver, the superregenerative receiver, the superheterodyne receiver, and modern frequency modulation (FM).
The first amplifying vacuum tube, the Audion, a crude triode, was invented in 1906 by Lee De Forest as a more sensitive detector for radio receivers, by adding a third electrode to the thermionic diode detector, the Fleming valve.[58][79][110][111] It was not widely used until its amplifying ability was recognized around 1912.[58] The first tube receivers, invented by De Forest and built by hobbyists until the mid-1920s, used a single Audion which functioned as a grid-leak detector which both rectified and amplified the radio signal.[79][108][112] There was uncertainty about the operating principle of the Audion until Edwin Armstrong explained both its amplifying and demodulating functions in a 1914 paper.[113][114][115] The grid-leak detector circuit was also used in regenerative, TRF, and early superheterodyne receivers (below) until the 1930s.
To give enough output power to drive a loudspeaker, 2 or 3 additional vacuum tube stages were needed for audio amplification.[79] Many early hobbyists could only afford a single tube receiver, and listened to the radio with earphones, so early tube amplifiers and speakers were sold as add-ons.
In addition to very low gain of about 5 and a short lifetime of about 30 – 100 hours, the primitive Audion had erratic characteristics because it was incompletely evacuated. De Forest believed that ionization of residual air was key to Audion operation.[116][117] This made it a more sensitive detector[116] but also caused its electrical characteristics to vary during use.[79][110] As the tube heated up, gas released from the metal elements would change the pressure in the tube, changing the plate current and other characteristics, so it required periodic bias adjustments to keep it at the correct operating point. Each Audion stage usually had a rheostat to adjust the filament current, and often a potentiometer or multiposition switch to control the plate voltage. The filament rheostat was also used as a volume control. The many controls made multitube Audion receivers complicated to operate.
By 1914, Harold Arnold at Western Electric and Irving Langmuir at GE realized that the residual gas was not necessary; the Audion could operate on electron conduction alone.[110][116][117] They evacuated tubes to a lower pressure of 10−9 atm, producing the first "hard vacuum" triodes. These more stable tubes did not require bias adjustments, so radios had fewer controls and were easier to operate.[110] During World War I civilian radio use was prohibited, but by 1920 large-scale production of vacuum tube radios began. The "soft" incompletely evacuated tubes were used as detectors through the 1920s then became obsolete.
The regenerative receiver, invented by Edwin Armstrong[118] in 1913 when he was a 23-year-old college student,[119] was used very widely until the late 1920s particularly by hobbyists who could only afford a single-tube radio. Today transistor versions of the circuit are still used in a few inexpensive applications like walkie-talkies. In the regenerative receiver the gain (amplification) of a vacuum tube or transistor is increased by using regeneration (positive feedback); some of the energy from the tube's output circuit is fed back into the input circuit with a feedback loop.[29][108][120][121][122] The early vacuum tubes had very low gain (around 5). Regeneration could not only increase the gain of the tube enormously, by a factor of 15,000 or more, it also increased the Q factor of the tuned circuit, decreasing (sharpening) the bandwidth of the receiver by the same factor, improving selectivity greatly.[108][120][121] The receiver had a control to adjust the feedback. The tube also acted as a grid-leak detector to rectify the AM signal.[108]
Another advantage of the circuit was that the tube could be made to oscillate, and thus a single tube could serve as both a beat frequency oscillator and a detector, functioning as a heterodyne receiver to make CW radiotelegraphy transmissions audible.[108][120][121] This mode was called an autodyne receiver. To receive radiotelegraphy, the feedback was increased until the tube oscillated, then the oscillation frequency was tuned to one side of the transmitted signal. The incoming radio carrier signal and local oscillation signal mixed in the tube and produced an audible heterodyne (beat) tone at the difference between the frequencies.
A widely used design was the Armstrong circuit, in which a "tickler" coil in the plate circuit was coupled to the tuning coil in the grid circuit, to provide the feedback.[29][108][122] The feedback was controlled by a variable resistor, or alternately by moving the two windings physically closer together to increase loop gain, or apart to reduce it.[120] This was done by an adjustable air core transformer called a variometer (variocoupler). Regenerative detectors were sometimes also used in TRF and superheterodyne receivers.
One problem with the regenerative circuit was that when used with large amounts of regeneration the selectivity (Q) of the tuned circuit could be too sharp, attenuating the AM sidebands, thus distorting the audio modulation.[123] This was usually the limiting factor on the amount of feedback that could be employed.
A more serious drawback was that it could act as an inadvertent radio transmitter, producing interference (RFI) in nearby receivers.[29][108][120][121][122][124] In AM reception, to get the most sensitivity the tube was operated very close to instability and could easily break into oscillation (and in CW reception did oscillate), and the resulting radio signal was radiated by its wire antenna. In nearby receivers, the regenerative's signal would beat with the signal of the station being received in the detector, creating annoying heterodynes, (beats), howls and whistles.[29] Early regeneratives which oscillated easily were called "bloopers". One preventive measure was to use a stage of RF amplification before the regenerative detector, to isolate it from the antenna.[108][120] But by the mid-1920s "regens" were no longer sold by the major radio manufacturers.[29]
This was a receiver invented by Edwin Armstrong in 1922 which used regeneration in a more sophisticated way, to give greater gain.[109][125][126][127][128] It was used in a few shortwave receivers in the 1930s, and is used today in a few cheap high frequency applications such as walkie-talkies and garage door openers.
In the regenerative receiver the loop gain of the feedback loop was less than one, so the tube (or other amplifying device) did not oscillate but was close to oscillation, giving large gain.[125] In the superregenerative receiver, the loop gain was made equal to one, so the amplifying device actually began to oscillate, but the oscillations were interrupted periodically.[109][12] This allowed a single tube to produce gains of over 106.
The tuned radio frequency (TRF) receiver, invented in 1916 by Ernst Alexanderson, improved both sensitivity and selectivity by using several stages of amplification before the detector, each with a tuned circuit, all tuned to the frequency of the station.[29][109][12][129][130]
A major problem of early TRF receivers was that they were complicated to tune, because each resonant circuit had to be adjusted to the frequency of the station before the radio would work.[29][109] In later TRF receivers the tuning capacitors were linked together mechanically ("ganged") on a common shaft so they could be adjusted with one knob, but in early receivers the frequencies of the tuned circuits could not be made to "track" well enough to allow this, and each tuned circuit had its own tuning knob.[12][131] Therefore, the knobs had to be turned simultaneously. For this reason most TRF sets had no more than three tuned RF stages.[108][123]
A second problem was that the multiple radio frequency stages, all tuned to the same frequency, were prone to oscillate,[131][132] and the parasitic oscillations mixed with the radio station's carrier in the detector, producing audible heterodynes (beat notes), whistles and moans, in the speaker.[29][108][109][130] This was solved by the invention of the Neutrodyne circuit (below) and the development of the tetrode later around 1930, and better shielding between stages.[130]
Today the TRF design is used in a few integrated (IC) receiver chips. From the standpoint of modern receivers the disadvantage of the TRF is that the gain and bandwidth of the tuned RF stages are not constant but vary as the receiver is tuned to different frequencies.[132] Since the bandwidth of a filter with a given Q is proportional to the frequency, as the receiver is tuned to higher frequencies its bandwidth increases.[14][18]
The Neutrodyne receiver, invented in 1922 by Louis Hazeltine,[133][134] was a TRF receiver with a "neutralizing" circuit added to each radio amplification stage to cancel the feedback to prevent the oscillations which caused the annoying whistles in the TRF.[29][109][130][131][135] In the neutralizing circuit a capacitor fed a feedback current from the plate circuit to the grid circuit which was 180° out of phase with the feedback which caused the oscillation, canceling it.[108] The Neutrodyne was popular until the advent of cheap tetrode tubes around 1930.
The reflex receiver, invented in 1914 by Wilhelm Schloemilch and Otto von Bronk,[136] and rediscovered and extended to multiple tubes in 1917 by Marius Latour[136][137] and William H. Priess, was a design used in some inexpensive radios of the 1920s[138] which enjoyed a resurgence in small portable tube radios of the 1930s[139] and again in a few of the first transistor radios in the 1950s.[109][140] It is another example of an ingenious circuit invented to get the most out of a limited number of active devices. In the reflex receiver the RF signal from the tuned circuit is passed through one or more amplifying tubes or transistors, demodulated in a detector, then the resulting audio signal is passed again though the same amplifier stages for audio amplification.[109] The separate radio and audio signals present simultaneously in the amplifier do not interfere with each other since they are at different frequencies, allowing the amplifying tubes to do "double duty". In addition to single tube reflex receivers, some TRF and superheterodyne receivers had several stages "reflexed".[140] Reflex radios were prone to a defect called "play-through" which meant that the volume of audio did not go to zero when the volume control was turned down.[140]
The superheterodyne, invented in 1918 during World War I by Edwin Armstrong[10] when he was in the Signal Corps, is the design used in almost all modern receivers, except a few specialized applications.[11][12][13] It is a more complicated design than the other receivers above, and when it was invented required 6 - 9 vacuum tubes, putting it beyond the budget of most consumers, so it was initially used mainly in commercial and military communication stations.[15] However, by the 1930s the "superhet" had replaced all the other receiver types above.
In the superheterodyne, the "heterodyne" technique invented by Reginald Fessenden is used to shift the frequency of the radio signal down to a lower "intermediate frequency" (IF), before it is processed.[14][15][16] Its operation and advantages over the other radio designs in this section are described above in The superheterodyne design
By the 1940s the superheterodyne AM broadcast receiver was refined into a cheap-to-manufacture design called the "All American Five", because it only used five vacuum tubes: usually a converter (mixer/local oscillator), an IF amplifier, a detector/audio amplifier, audio power amplifier, and a rectifier. This design was used for virtually all commercial radio receivers until the transistor replaced the vacuum tube in the 1970s.
The invention of the transistor in 1947 revolutionized radio technology, making truly portable receivers possible, beginning with transistor radios in the late 1950s. Although portable vacuum tube radios were made, tubes were bulky and inefficient, consuming large amounts of power and requiring several large batteries to produce the filament and plate voltage. Transistors did not require a heated filament, reducing power consumption, and were smaller and much less fragile than vacuum tubes.
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Companies first began manufacturing radios advertised as portables shortly after the start of commercial broadcasting in the early 1920s. The vast majority of tube radios of the era used batteries and could be set up and operated anywhere, but most did not have features designed for portability such as handles and built in speakers. Some of the earliest portable tube radios were the Winn "Portable Wireless Set No. 149" that appeared in 1920 and the Grebe Model KT-1 that followed a year later. Crystal sets such as the Westinghouse Aeriola Jr. and the RCA Radiola 1 were also advertised as portable radios.[141]
Thanks to miniaturized vacuum tubes first developed in 1940, smaller portable radios appeared on the market from manufacturers such as Zenith and General Electric. First introduced in 1942, Zenith's Trans-Oceanic line of portable radios were designed to provide entertainment broadcasts as well as being able to tune into weather, marine and international shortwave stations. By the 1950s, a "golden age" of tube portables included lunchbox-sized tube radios like the Emerson 560, that featured molded plastic cases. So-called "pocket portable" radios like the RCA BP10 had existed since the 1940s, but their actual size was compatible with only the largest of coat pockets.[141] But some, like the Privat-ear and Dyna-mite pocket radios, were small enough to fit a pocket.[142][143]
The development of the bipolar junction transistor in the early 1950s resulted in it being licensed to a number of electronics companies, such as Texas Instruments, who produced a limited run of transistorized radios as a sales tool. The Regency TR-1, made by the Regency Division of I.D.E.A. (Industrial Development Engineering Associates) of Indianapolis, Indiana, was launched in 1951. The era of true, shirt-pocket sized portable radios followed, with manufacturers such as Sony, Zenith, RCA, DeWald, and Crosley offering various models.[141] The Sony TR-63 released in 1957 was the first mass-produced transistor radio, leading to the mass-market penetration of transistor radios.[144]
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The development of integrated circuit (IC) chips in the 1970s created another revolution, allowing an entire radio receiver to be put on an IC chip. IC chips reversed the economics of radio design used with vacuum-tube receivers. Since the marginal cost of adding additional amplifying devices (transistors) to the chip was essentially zero, the size and cost of the receiver was dependent not on how many active components were used, but on the passive components; inductors and capacitors, which could not be integrated easily on the chip.[22] The development of RF CMOS chips, pioneered by Asad Ali Abidi at UCLA during the 1980s and 1990s, allowed low power wireless devices to be made.[146]
The current trend in receivers is to use digital circuitry on the chip to do functions that were formerly done by analog circuits which require passive components. In a digital receiver the IF signal is sampled and digitized, and the bandpass filtering and detection functions are performed by digital signal processing (DSP) on the chip. Another benefit of DSP is that the properties of the receiver; channel frequency, bandwidth, gain, etc. can be dynamically changed by software to react to changes in the environment; these systems are known as software-defined radios or cognitive radio.
Many of the functions performed by analog electronics can be performed by software instead. The benefit is that software is not affected by temperature, physical variables, electronic noise and manufacturing defects.[147]
Digital signal processing permits signal processing techniques that would be cumbersome, costly, or otherwise infeasible with analog methods. A digital signal is essentially a stream or sequence of numbers that relay a message through some sort of medium such as a wire. DSP hardware can tailor the bandwidth of the receiver to current reception conditions and to the type of signal. A typical analog only receiver may have a limited number of fixed bandwidths, or only one, but a DSP receiver may have 40 or more individually selectable filters. DSP is used in cell phone systems to reduce the data rate required to transmit voice.
In digital radio broadcasting systems such as Digital Audio Broadcasting (DAB), the analog audio signal is digitized and compressed, typically using a modified discrete cosine transform (MDCT) audio coding format such as AAC+.[148]
"PC radios", or radios that are designed to be controlled by a standard PC are controlled by specialized PC software using a serial port connected to the radio. A "PC radio" may not have a front-panel at all, and may be designed exclusively for computer control, which reduces cost.
Some PC radios have the great advantage of being field upgradable by the owner. New versions of the DSP firmware can be downloaded from the manufacturer's web site and uploaded into the flash memory of the radio. The manufacturer can then in effect add new features to the radio over time, such as adding new filters, DSP noise reduction, or simply to correct bugs.
A full-featured radio control program allows for scanning and a host of other functions and, in particular, integration of databases in real-time, like a "TV-Guide" type capability. This is particularly helpful in locating all transmissions on all frequencies of a particular broadcaster, at any given time. Some control software designers have even integrated Google Earth to the shortwave databases, so it is possible to "fly" to a given transmitter site location with a click of a mouse. In many cases the user is able to see the transmitting antennas where the signal is originating from.
Since the Graphical User Interface to the radio has considerable flexibility, new features can be added by the software designer. Features that can be found in advanced control software programs today include a band table, GUI controls corresponding to traditional radio controls, local time clock and a UTC clock, signal strength meter, a database for shortwave listening with lookup capability, scanning capability, or text-to-speech interface.
The next level in integration is "software-defined radio", where all filtering, modulation and signal manipulation is done in software. This may be a PC soundcard or by a dedicated piece of DSP hardware. There will be a RF front-end to supply an intermediate frequency to the software defined radio. These systems can provide additional capability over "hardware" receivers. For example, they can record large swaths of the radio spectrum to a hard drive for "playback" at a later date. The same SDR that one minute is demodulating a simple AM broadcast may also be able to decode an HDTV broadcast in the next. An open-source project called GNU Radio is dedicated to evolving a high-performance SDR.
All-digital radio transmitters and receivers present the possibility of advancing the capabilities of radio.[149]
selective signaling.
loose coupler variometer variocoupler.
tikker heterodyne.
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