En las comunicaciones por radio , un receptor de radio , también conocido como receptor , inalámbrico o simplemente radio , es un dispositivo electrónico que recibe ondas de radio y convierte la información que transportan a una forma utilizable. Se utiliza con antena . La antena intercepta 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 demodulación .
Los receptores de radio son componentes esenciales de todos los sistemas que utilizan radio . La información producida por el receptor puede ser en forma de sonido, vídeo ( 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 la gente es un receptor de radiodifusión, 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 móviles , módems inalámbricos , radiorelojes y otros componentes de comunicaciones, controles remotos y sistemas de redes inalámbricas.
La forma más familiar 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 de la radio o mediante unos auriculares que se conectan a un conector de la radio. La radio requiere energía eléctrica , proporcionada por las baterías dentro de la radio o por un cable de alimentación que se conecta a un tomacorriente . Todas las radios tienen un control de volumen para ajustar el volumen del audio y algún tipo de control de "sintonía" para seleccionar la estación de radio a recibir.
La modulación es el proceso de agregar información a una onda portadora de radio .
En los sistemas de radiodifusión analógica se utilizan dos tipos de modulación; AM y FM.
En la modulación de amplitud (AM), la intensidad de la señal de radio varía según la señal de audio. La transmisión de AM está permitida en las bandas de transmisión de 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 de radio . La radiodifusión AM también está permitida en bandas de onda corta , entre aproximadamente 2,3 y 26 MHz, que se utilizan para la radiodifusión 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 de FM está permitida en las bandas de transmisión de FM entre aproximadamente 65 y 108 MHz en el rango de frecuencias muy altas (VHF). Los rangos de frecuencia exactos varían algo en diferentes países.
Estaciones de radio FM estéreo que transmiten en sonido estereofónico (estéreo), transmitiendo dos canales de sonido que representan los micrófonos izquierdo y derecho . Un receptor estéreo contiene circuitos adicionales y rutas de señal paralelas para reproducir los dos canales separados. Por el contrario, un receptor monoaural sólo 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; Estas se llaman radios AM/FM .
La transmisión 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 DAB tiene el potencial de proporcionar un sonido de mayor calidad que FM (aunque muchas estaciones eligen no transmitir con una calidad tan alta), tiene mayor inmunidad al ruido de radio y a las interferencias, hace un mejor uso del escaso ancho de banda del espectro de radio y proporciona Funciones avanzadas para el usuario, como guía electrónica de programas , comentarios deportivos y presentaciones de imágenes. Su desventaja es que es incompatible con radios anteriores por lo que hay que adquirir un nuevo receptor DAB. En 2017, 38 países ofrecen DAB, con 2100 estaciones que dan servicio a áreas de escucha que albergan a 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 amplio de 1500 kHz que transmite de 9 a 12 canales entre los que el oyente puede elegir. Las emisoras pueden transmitir un canal a diferentes velocidades de bits , por lo que diferentes canales pueden tener diferente calidad de audio. 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 sólo puede recibirse dentro de un alcance limitado de su transmisor. El alcance depende de la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor, el ruido atmosférico e interno , así como cualquier obstáculo geográfico 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 mayor frecuencia, 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 puede ser bloqueado por colinas entre el transmisor y el receptor. Sin embargo, la radio FM es menos susceptible a las interferencias del ruido de radio ( RFI , esféricos , estáticos) y tiene mayor fidelidad ; mejor respuesta de frecuencia y menos distorsión de audio que AM. Por lo tanto, en los países que todavía transmiten radio AM, la música seria normalmente solo se transmite por estaciones de FM, y las estaciones de AM se especializan en noticias de radio , programas de radio y radio deportiva . Al igual que FM, las señales DAB viajan según la 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 radio . Además de los receptores de radiodifusión descritos anteriormente, en la tecnología moderna los receptores de radio se utilizan en una gran variedad de sistemas electrónicos. 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 normalmente 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 ocurre con las antenas de bucle de ferrita de las radios AM y la antena plana F invertida de los teléfonos móviles; conectados al exterior del receptor, como ocurre con las antenas de látigo utilizadas en las radios FM , o montados por separado y conectados al receptor mediante un cable, como con las antenas de televisión de techo y las antenas parabólicas .
Los prácticos receptores de radio realizan tres funciones básicas sobre la señal de la antena: filtrado , amplificación y demodulación : [8]
Las ondas de radio de muchos transmisores pasan por el aire simultáneamente sin interferir entre sí y son recibidas por la antena. Estos pueden estar separados en el receptor porque tienen diferentes frecuencias ; 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 deja pasar 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 tierra. Cuando la señal de radio entrante está en la frecuencia de resonancia, el circuito resonante tiene una alta impedancia y la señal de radio de la estación deseada pasa a las siguientes etapas del receptor. En todas las demás frecuencias, el circuito resonante tiene baja impedancia, 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 unos pocos kilómetros 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 las baterías o del enchufe de 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 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 operar 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 determinada relación señal-ruido. . Dado que es fácil amplificar una señal en 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 que contiene 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 con fines especializados.
La señal de modulación emitida por el demodulador generalmente se amplifica para aumentar su intensidad, luego la información se vuelve a convertir a una forma utilizable por humanos mediante algún tipo de transductor . Una señal de audio , que representa sonido, como en una transmisión de radio, se convierte en ondas sonoras 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 accionar el demodulador; (3) el demodulador recupera la señal de modulación (que en los receptores de radiodifusión es una señal de audio , un voltaje que oscila a una frecuencia de audio que representa las ondas sonoras) de la onda portadora de radio modulada ; (4) la señal de modulación se amplifica aún más en un amplificador de audio y luego se aplica a un altavoz o auricular para convertirla en ondas sonoras.
Aunque el receptor TRF se utiliza en algunas 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] Los inconvenientes surgen del hecho de que en el TRF el filtrado, la amplificación y la demodulación se realizan en la alta frecuencia de la señal de radio entrante. El ancho de banda de un filtro aumenta con su frecuencia central, por lo que cuando el receptor TRF se sintoniza en diferentes frecuencias, su ancho de banda varía. Lo más importante es que la creciente congestión del espectro radioeléctrico requiere que los canales de radio estén muy espaciados 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 cercanas entre sí. Los receptores TRF normalmente deben tener muchas etapas de sintonización en cascada para lograr una selectividad adecuada. La siguiente sección de Ventajas 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 en algunas aplicaciones especializadas.
En el superheterodino, la señal de radiofrecuencia de la antena se desplaza hacia abajo a una " frecuencia intermedia " (IF) 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 a la salida del mezclador es una frecuencia heterodina o de batido en la diferencia entre estas dos frecuencias. El proceso es similar a la forma en que dos notas musicales de diferentes frecuencias tocadas juntas producen un ritmo . Esta frecuencia más baja se llama frecuencia intermedia (IF). La señal IF también tiene bandas laterales de modulación que transportan la información que estaba presente en la señal RF original. La señal IF pasa por etapas de filtro y amplificador, [12] luego es demodulada 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 funcionan a la frecuencia intermedia fija (IF), por lo que el filtro de paso de banda IF no tiene que ajustarse a diferentes frecuencias. La frecuencia fija permite a los receptores modernos utilizar sofisticados filtros IF de cristal de cuarzo , resonador cerámico o ondas acústicas 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 interferencias de cualquier señal de radio en la frecuencia de la 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 única etapa de filtro de RF sintonizable rechaza la frecuencia de la imagen; dado que éstas están relativamente lejos de la frecuencia deseada, un filtro simple proporciona un rechazo adecuado. El rechazo de señales de interferencia mucho más cercanas en frecuencia a la señal deseada se maneja mediante las múltiples etapas sintonizadas 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 "seguir" en conjunto 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 fuertes señales fuera de banda.
Para lograr un buen rechazo y selectividad de la imagen, muchos receptores superhet modernos utilizan dos frecuencias intermedias; esto se llama superheterodino de doble conversión o 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 IF alta, para permitir un filtrado eficiente de la frecuencia de la imagen, luego esta primera IF se mezcla con una segunda señal de oscilador local. en un segundo mezclador para convertirlo a una frecuencia IF baja para un buen filtrado de paso de banda. Algunos receptores incluso utilizan triple conversión .
A costa de las etapas adicionales, el receptor superheterodino proporciona la ventaja de una mayor selectividad que la que se puede lograr con un diseño TRF. Cuando se utilizan frecuencias muy altas, sólo la etapa inicial del receptor necesita funcionar en las frecuencias más altas; las etapas restantes pueden proporcionar gran parte de la ganancia del receptor en frecuencias más bajas, lo que puede ser más fácil de gestionar. La sintonización se simplifica en comparación con un diseño TRF de múltiples etapas, y solo se necesitan dos etapas para realizar un seguimiento en el rango de sintonización. La amplificación total del receptor se divide entre tres amplificadores a diferentes frecuencias; el RF, IF y el amplificador de audio. Esto reduce los problemas de retroalimentación y oscilaciones parásitas que se encuentran en receptores donde la mayoría de las etapas del amplificador operan a la misma frecuencia, como en el receptor TRF. [14]
La ventaja más importante es que se puede lograr una mejor selectividad haciendo el filtrado a 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 estaciones molestas o ruidos cercanos, 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 de la señal de radio original, en lugar de en la frecuencia, se puede lograr un ancho de banda más estrecho. Las transmisiones modernas de FM y televisión, los teléfonos celulares y otros servicios de comunicaciones, con sus estrechos anchos de canal, 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 es 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 determinado 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 es proporcional a la amplitud de la señal de radio, por lo que el desvanecimiento provoca variaciones en el volumen. Además, como el receptor sintoniza entre estaciones fuertes y débiles, el volumen del sonido del altavoz variaría drásticamente. Sin un sistema automático para manejarlo, en un receptor de AM, sería necesario 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 provocará que las etapas del amplificador se sobrecarguen (saturen), provocando 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 brindar el nivel de señal óptimo para la demodulación. [9] [21] [20] Esto se llama control automático de ganancia (AGC). El AGC se puede comparar con el mecanismo de adaptación a la oscuridad del ojo humano ; Al entrar en una habitación oscura, la apertura del iris aumenta la ganancia del ojo. [20] En su forma más simple, un sistema AGC consta de 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 señal de control a una etapa amplificadora anterior, para controlar su ganancia. En un receptor superheterodino, el AGC generalmente se aplica al amplificador de FI y puede haber un segundo bucle de AGC para controlar la ganancia del amplificador de RF y evitar que también se sobrecargue.
En ciertos diseños de receptores, como los receptores digitales modernos, un problema relacionado es el desplazamiento de CC de la señal. Esto se corrige mediante un sistema de retroalimentación similar.
Las ondas de radio se identificaron por primera vez en la serie de experimentos del físico alemán Heinrich Hertz de 1887 para probar la teoría electromagnética de James Clerk Maxwell . Hertz utilizó antenas dipolo excitadas por chispa para generar las ondas y explosores micrométricos conectados a antenas dipolo y de bucle para detectarlas. [22] [23] [24] Estos dispositivos primitivos se describen con mayor precisión como sensores de ondas de radio, no como "receptores", ya que solo podían detectar ondas de radio dentro de 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, de 1887 a 1917, un período llamado era de la chispa , eran transmisores de descarga de chispas que generaban ondas de radio descargando una capacitancia a través de una chispa eléctrica . [26] [27] [28] Cada chispa produjo un pulso transitorio de ondas de radio que disminuyeron rápidamente hasta cero. [22] [24] Estas ondas amortiguadas no se podían modular para transportar sonido, como en las transmisiones modernas de AM y FM . Por lo tanto, los transmisores de chispas no podían transmitir sonido y, en cambio, transmitían información por radiotelegrafía . El operador encendía y apagaba rápidamente el transmisor utilizando una tecla de telégrafo , creando pulsos de diferentes longitudes de ondas de radio amortiguadas ("puntos" y "guiones") 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 emitían un sonido entre los "puntos" y las "rayas". [24] El dispositivo que hacía esto se llamaba " detector ". Dado que en ese momento no había dispositivos amplificadores , 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 120 a quizás 4000 por segundo, por lo que en el auricular la señal sonaba como un tono musical o zumbido, y el código Morse "puntos" y "guiones". " sonaron como pitidos.
El primero en utilizar ondas de radio para comunicarse fue Guglielmo Marconi . [27] [30] Marconi inventó poco por sí mismo, pero fue el primero en creer que la radio podría ser un medio de comunicación práctico, y desarrolló por sí solo los primeros sistemas, transmisores y receptores de telegrafía inalámbricos , a partir de 1894-5, [30] principalmente por mejorar 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 son No se sabe que haya transmitido código Morse durante este período, [27] [30] solo cadenas de pulsos aleatorios. Por lo tanto, a Marconi se le suele atribuir el mérito de haber construido los primeros receptores de radio.
Los primeros receptores de radio inventados por Marconi, Oliver Lodge y Alexander Popov en 1894-5 utilizaron 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 cohesor era un tubo de vidrio con electrodos metálicos en cada extremo, con polvo metálico suelto entre los electrodos. [22] [27] [39] Inicialmente tenía una alta resistencia . Cuando se aplicó un voltaje de radiofrecuencia a los electrodos, su resistencia cayó y condujeron electricidad. En el receptor, el cohesor estaba conectado directamente entre la antena y tierra. Además de la antena, el cohesor estaba conectado en un circuito de corriente continua con una batería y un relé . Cuando la onda de radio entrante redujo la resistencia del cohesor, la corriente de la batería fluyó a través de él, encendiendo el relé para hacer sonar una campana o hacer una marca en una cinta de papel en una grabadora de sifón . Para restaurar el cohesor a su estado anterior no conductor para recibir el siguiente pulso de ondas de radio, fue necesario golpearlo mecánicamente para perturbar las partículas metálicas. [22] [27] [36] [40] Esto se hacía mediante un "decoherer", una badaja que golpeaba el tubo, accionada por un electroimán alimentado por el relé.
El cohesor es un dispositivo antiguo y oscuro, e incluso hoy en día existe cierta incertidumbre sobre el mecanismo físico exacto mediante el cual 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, por lo que no tenía la capacidad de rectificar la onda de radio para demodular la amplitud modulada posterior ( AM) transmisiones de radio que transmitían sonido. [22] [31]
En una larga serie de experimentos, Marconi descubrió que utilizando una antena monopolo de cable elevado en lugar de las antenas dipolo de Hertz podía transmitir distancias más largas, más allá de la curva de la Tierra, demostrando que la radio no era sólo una curiosidad de laboratorio sino un método de comunicación comercialmente viable. Esto culminó con su histórica transmisión inalámbrica transatlántica el 12 de diciembre de 1901, desde Poldhu, Cornwall hasta St. John's, Terranova , una distancia de 3500 km (2200 millas), que fue recibida por un cohesor. [31] [35] Sin embargo, el alcance habitual de los receptores cohesores, incluso con los potentes transmisores de esta época, se limitaba 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 tosco 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 "golpeteo", 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 palabras por minuto con una máquina de cinta de papel. [42] [43]
El pobre desempeño del cohesor motivó una gran cantidad de investigaciones para encontrar mejores detectores de ondas de radio, y muchos fueron inventados. Se probaron algunos dispositivos extraños; Los investigadores experimentaron utilizando ancas de rana [44] e incluso un cerebro humano [45] de un cadáver como detectores. [22] [46]
En los primeros años del siglo XX, se estaban realizando experimentos en el uso de modulación de amplitud (AM) para transmitir sonido por radio ( radiotelefonía ). Entonces, un segundo objetivo de la investigación de detectores fue encontrar detectores que pudieran demodular una señal AM, extrayendo la señal de audio (sonido) de la onda portadora de radio . Se descubrió mediante prueba y error que esto podía hacerse mediante un detector que mostrara "conducción asimétrica"; Dispositivo que conducía corriente en una dirección pero no en la otra. [47] Esto rectificó la señal de radio de corriente alterna, eliminando un lado de los ciclos portadores, dejando una corriente continua pulsante cuya amplitud variaba con la señal de modulación de audio. Cuando se aplica a un auricular, esto reproducirá el sonido transmitido.
A continuación se muestran los detectores que se utilizaron ampliamente antes de que los tubos de vacío asumieran el control alrededor de 1920. [48] [49] Todos, excepto el detector magnético, podían rectificar y, por lo tanto, recibir señales AM:
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Durante la era de los tubos de vacío, el término "detector" pasó de significar detector de ondas de radio a demodulador , un dispositivo que podía extraer la señal de modulación de audio de una señal de radio. Ese es su significado hoy.
"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 hertzianos también carecían de un circuito sintonizado. Debido a la naturaleza impulsiva de la chispa, la energía de las ondas de radio se distribuyó en una banda de frecuencias muy amplia. [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 provocaba una recepción confusa. [28] [63] [66] Se necesitaba algún método para permitir que el receptor seleccionara qué señal del transmisor recibir. [66] [67] Las múltiples longitudes de onda producidas por un transmisor mal sintonizado causaron que la señal se "amortiguara" o se apagara, lo que redujo en gran medida la potencia y el alcance de la transmisión. [68] En 1892, William Crookes dio una conferencia [69] sobre radio en la que sugirió utilizar la 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 resonancia 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 entre principios y mediados de la década de 1890 en sistemas inalámbricos no diseñados específicamente para comunicaciones por radio. La conferencia de Nikola Tesla de marzo de 1893 en la que demostraba la transmisión inalámbrica de energía para la iluminación (principalmente mediante lo que él pensaba que era conducción terrestre [72] ) incluía elementos de sintonización. El sistema de iluminación inalámbrico consistía en un transformador resonante conectado a tierra excitado por chispa con una antena de alambre que transmitía energía a través de la habitación a otro transformador resonante sintonizado a la frecuencia del transmisor, que iluminaba un tubo Geissler . [32] [70] El uso de la sintonización en el espacio libre "ondas hertzianas" (radio) fue explicado y demostrado en las conferencias de Oliver Lodge de 1894 sobre el trabajo de Hertz. [73] En ese momento, Lodge estaba demostrando la física y las cualidades ópticas de las ondas de radio en lugar de intentar construir un sistema de comunicación, pero continuaría desarrollando métodos (patentados en 1897) de sintonización de radio (lo que llamó "sintonia"), incluido el uso de inductancia variable para sintonizar antenas. [74] [75] [76]
En 1897, las ventajas de los sistemas sintonizados habían quedado claras, y Marconi y los otros 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 actuó 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 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 fue 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 debe tener un ancho de banda estrecho , permitiendo solo el paso de una banda estrecha de frecuencias. [28] [29] La forma de filtro de paso de banda que se utilizó en los primeros receptores, y que se ha seguido utilizando en los receptores hasta hace poco, era el circuito de doble sintonización acoplado inductivamente , 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 alimentó 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 a través de ella. Ambos fueron ajustados a la misma frecuencia de resonancia .
Este circuito tenía dos ventajas. [29] Una era que al usar la relación de espiras correcta, la impedancia de la antena podría adaptarse a la impedancia del receptor, para transferir la máxima potencia de RF al receptor. La adaptación de impedancia era importante para lograr el máximo alcance de recepción en los receptores no amplificados de esta época. [25] [29] Las bobinas generalmente tenían derivaciones que podían seleccionarse mediante un interruptor multiposición. La segunda ventaja era que, debido al "acoplamiento flojo", tenía un ancho de banda mucho más estrecho que un circuito sintonizado simple , y el ancho de banda se podía ajustar. [28] [77] A diferencia de un transformador ordinario, las dos bobinas estaban "débilmente acopladas"; separados físicamente por lo que no todo el campo magnético del primario pasó a través del secundario, lo que reduce la inductancia mutua . Esto 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 Navy" (ver imagen) , ampliamente utilizado con receptores de cristal , la bobina secundaria más pequeña estaba montada en un estante que podía deslizarse hacia adentro o hacia afuera 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 fuera del primario, reduciendo el acoplamiento, lo que reducía el ancho de banda y rechazando la señal de interferencia. Una desventaja era que los tres ajustes en el acoplador suelto (sintonización primaria, sintonía secundaria y acoplamiento) eran interactivos; cambiar uno cambió los demás. Así que la sintonización de una nueva emisora era un proceso de sucesivos ajustes.
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 próximas que ocupaban el espectro radioeléctrico. [29] Los transformadores resonantes continuaron utilizándose como filtro de paso de banda en radios de válvulas 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 "superior plana" en lugar de la respuesta "pico" de un circuito sintonizado único. [80] Esto le permitió pasar las bandas laterales de la modulación AM a ambos lados de la portadora con poca distorsión, a diferencia de un circuito sintonizado único que atenuaba las frecuencias de audio más altas. Hasta hace poco los filtros de paso de banda en el circuito superheterodino utilizados 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, lo que limitaba su alcance y aumentaba las interferencias. [81] Para superar este inconveniente, desarrolló un sistema de cuatro circuitos con bobinas sintonizadas en " sintonía " tanto en los transmisores como en los receptores. [81] Su patente británica número 7.777 (cuatro sietes) de 1900 para afinación, presentada en abril de 1900 y concedida un año después, abrió la puerta a disputas sobre patentes, ya que infringía las patentes Syntonic de Oliver Lodge, presentadas por primera vez en mayo de 1897, así como 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 inicialmente rechazada porque estaba anticipada por el sistema de sintonización de Lodge, y las versiones presentadas nuevamente fueron rechazadas debido a las patentes anteriores de Braun y Lodge. [82] Se rechazó una aclaración adicional y una nueva presentación porque infringía 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, quien inicialmente la rechazó debido a una patente de sintonización preexistente de John Stone Stone , pero finalmente fue aprobada en junio de 1904 basándose en que tenía un sistema único de inductancia variable. sintonización que era diferente de Stone [84] [85] quien 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 patente, comprando la compañía de radio de Lodge con su patente en 1912, dándoles la patente prioritaria que necesitaban. [86] [87] A lo largo de los años surgirían otras disputas sobre patentes, incluida una sentencia de la Corte Suprema de los EE. UU . de 1943 sobre la capacidad de la Compañía Marconi para demandar al gobierno de los EE. UU. por infracción de patentes durante la Primera Guerra Mundial. La Corte rechazó la demanda de la Compañía Marconi diciendo que podían no demandar por infracción de patente 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 las transmisiones AM y sirvió como puente hacia la era de la radiodifusión. Además de ser el tipo principal utilizado en las estaciones comerciales durante la era de la telegrafía inalámbrica, fue el primer receptor ampliamente utilizado por el público. [88] Durante las dos primeras décadas del siglo XX, cuando las estaciones de radio comenzaron a transmitir en voz 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 estos receptores confiables y económicos crearon una audiencia masiva 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 quedó comercialmente obsoleto. Sin embargo, siguió siendo utilizado por jóvenes y pobres hasta la Segunda Guerra Mundial . [88] Hoy en día, los estudiantes construyen estos simples receptores de radio como proyectos de ciencias educativas.
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 estaba ligeramente tocado por un alambre fino y elástico (el "bigote de gato") en un brazo ajustable. [51] [91] La unión semiconductora cruda resultante funcionó como un diodo de barrera Schottky , conduciendo en una sola dirección. Sólo determinados puntos de la superficie del cristal funcionaban como uniones detectoras, y la unión podía verse alterada por la más mínima vibración. De modo que se encontró un sitio utilizable mediante prueba y error antes de cada uso; el operador arrastraba el bigote del gato por el cristal hasta que la radio comenzaba a funcionar. Frederick Seitz, un investigador de semiconductores posterior, escribió:
Tal variabilidad, rayana en lo que parecía místico, plagó la historia temprana de los detectores de cristales y provocó que muchos de los expertos en tubos de vacío de una generación posterior consideraran el arte de la rectificación de cristales como casi de mala reputación. [92]
La radio de cristal no estaba amplificada y se agotaba con la potencia de las ondas de radio recibidas de la estación de radio, por lo que había que escucharla con auriculares ; no podía manejar un altavoz . [29] [91] Requería una antena de cable largo y su sensibilidad dependía del tamaño de la antena. Durante la era inalámbrica se utilizaba en estaciones comerciales y militares de onda larga con enormes antenas para recibir tráfico radiotelegráfico de larga distancia, incluido incluso 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 radios de cristal sofisticadas se utilizaba 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]
Alrededor de 1905, los transmisores de onda continua (CW) comenzaron a reemplazar a los transmisores de chispa en radiotelegrafía porque tenían un alcance mucho mayor. Los primeros transmisores de onda continua fueron el arco de 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 de radiotelegrafía de onda continua producidas por estos transmisores requerían un método de recepción diferente. [96] [97] Las señales de radiotelegrafía producidas por los transmisores de chispas consistían en cadenas de ondas amortiguadas que se repetían a una velocidad de audio, por lo que los "puntos" y "guiones" 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 consistían simplemente en pulsos de portadora no modulada ( ondas sinusoidales ). Estos no eran audibles 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 tosco que hizo esto fue el tikker , inventado en 1908 por Valdemar Poulsen . [48] [96] [98] Se trataba de un interruptor vibratorio con un condensador en 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 medio mejor para lograrlo. [96] [98] [99] [100] En su receptor heterodino, se aplicó una señal de radio de onda sinusoidal no modulada a una frecuencia f O desplazada de la portadora de ondas de radio entrante f C 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 ( beat ) en la suma f C + f O y la diferencia f C − f O entre estas frecuencias. Al elegir f O correctamente, el heterodino 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 estaba presente. Así, los "puntos" y "rayas" del código Morse eran audibles como "bips" musicales. Un atractivo importante de este método durante este período de preamplificación fue que el receptor heterodino en realidad amplificaba un poco la señal, el detector tenía una "ganancia del mezclador". [98]
El receptor se adelantó a su tiempo, porque cuando se inventó no existía 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 receptores comunes. 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. Radiotelegrafía CW. El oscilador heterodino es el antepasado del oscilador de frecuencia de batido (BFO), que se utiliza hoy en día para recibir radiotelegrafía en los receptores de comunicaciones . El oscilador heterodino tenía que volver a sintonizarse 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 más tarde 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 transmitir audio (sonido), modulación de frecuencia (FM) alrededor de 1938 que tenía mucho calidad de audio mejorada y banda lateral única (SSB).
El tubo de vacío amplificador utilizaba energía de una batería o de un tomacorriente para aumentar la potencia de la señal de radio, por lo que los receptores de tubo de vacío podrían 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 controlar altavoces en lugar de auriculares , lo que permitió que más de una persona escuchara. Los primeros altavoces se produjeron alrededor de 1915. Estos cambios hicieron que escuchar la 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 tubos 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 radiodifusión 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 imponente dispositivo de alta tecnología, con muchas perillas y controles crípticos que requerían habilidad técnica para operar, alojado en una caja de metal negra poco atractiva, con una pequeña- altavoz de bocina que suena . [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 utilizar, que ocupaba un lugar respetado en la sala de estar de la casa. En las primeras radios, los múltiples circuitos sintonizados requerían que se ajustaran múltiples perillas para sintonizar una nueva estación. Una de las innovaciones más importantes en términos de facilidad de uso fue la "sintonización con un solo botón", que se logra uniendo mecánicamente los condensadores de sintonización. [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 funciones de conveniencia como grandes diales iluminados, 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 mencionados anteriormente , que se utilizaban 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 alimentaban mediante baterías separadas. En 1930 se desarrollaron tubos rectificadores adecuados y las costosas baterías fueron reemplazadas por una fuente de alimentación por 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 el número de tubos que un receptor podía tener económicamente era un factor limitante. Por lo tanto, el objetivo del diseño del receptor de válvulas era obtener el máximo rendimiento de un número limitado de válvulas. 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 tubos 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 mezclaron con el portador de la señal de radio en el tubo detector, produciendo notas de ritmo audibles ( heterodinas ); molestos silbidos, gemidos y aullidos en el altavoz. Las oscilaciones fueron causadas por retroalimentación en los amplificadores; Una vía de retroalimentación importante era la capacitancia entre la placa y la rejilla en los primeros triodos . [108] [109] Esto se resolvió mediante el circuito Neutrodyne , y más tarde el desarrollo del tetrodo y 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 las comunicaciones por radio. [11] Fue el primero en dar una explicación correcta de cómo funcionaba el tubo triodo de De Forest. Inventó el oscilador de retroalimentación , el receptor regenerativo , el receptor superregenerativo , el receptor superheterodino y la moderna modulación de frecuencia (FM).
El primer tubo amplificador de vacío, el Audion , un tosco triodo , 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 de amplificación alrededor de 1912. [58] Los primeros receptores de válvulas, inventados por De Forest y construidos por aficionados hasta mediados de la década de 1920, utilizaban un un solo Audion que funcionaba como un detector de fugas en la red que rectificaba y amplificaba la señal de radio. [79] [108] [112] Había 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 usó en receptores regenerativos , TRF y superheterodinos tempranos (abajo) hasta la década de 1930.
Para proporcionar suficiente potencia de salida para accionar un altavoz, se necesitaban 2 o 3 etapas de válvulas de vacío adicionales para la amplificación de audio. [79] Muchos de los primeros aficionados solo podían permitirse un receptor de válvulas y escuchaban la radio con auriculares, por lo que los primeros amplificadores de válvulas y altavoces se vendían como complementos.
Además de una ganancia muy baja de aproximadamente 5 y una vida útil corta de aproximadamente 30 a 100 horas, el Audion primitivo tenía características erráticas porque no estaba completamente evacuado. 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 cambiaría la presión en el tubo, cambiando la corriente de la placa y otras características, por lo que requería ajustes de polarización periódicos 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 de filamento también se utilizó 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 podría funcionar únicamente por 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" con vacío incompleto se utilizaron como detectores durante la década de 1920 y luego quedaron obsoletos.
El receptor regenerativo , inventado por Edwin Armstrong [118] en 1913, cuando era un estudiante universitario de 23 años, [119] fue utilizado ampliamente hasta finales de la década de 1920, especialmente por aficionados que sólo podían permitirse una radio de un solo tubo. Hoy en día, las versiones de transistores del circuito todavía se utilizan en algunas aplicaciones económicas como los walkie-talkies . En el receptor regenerativo, la ganancia (amplificación) de un tubo de vacío o transistor 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 circuito de retroalimentación . [29] [108] [120] [121] [122] Las primeras válvulas de vacío tenían una ganancia muy baja (alrededor de 5). La regeneración no sólo podía aumentar enormemente la ganancia del tubo, en 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 en el mismo factor, mejorando enormemente la selectividad . [108] [120] [121] El receptor tenía un control para ajustar la retroalimentación. El tubo también actuó como detector de fugas en la red para rectificar la señal AM. [108]
Otra ventaja del circuito era que se podía hacer que el tubo oscilara y, por lo tanto, un solo tubo podía servir como oscilador de frecuencia de batido y detector, funcionando como un receptor heterodino para hacer audibles las transmisiones de radiotelegrafía CW . [108] [120] [121] Este modo se llamó receptor autodino . Para recibir radiotelegrafía, la retroalimentación se incrementaba 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 mezclaron en el tubo y produjeron un tono heterodino (beat) audible en la diferencia entre las frecuencias.
Un diseño ampliamente utilizado fue el circuito Armstrong , en el que una bobina "ticckler" en el circuito de placa se acoplaba a la bobina de sintonización en el circuito de rejilla, para proporcionar retroalimentación. [29] [108] [122] La retroalimentación se controlaba mediante una resistencia variable o, alternativamente, acercando físicamente los dos devanados 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). En ocasiones también se utilizaron detectores regenerativos 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 podía emplearse.
Un inconveniente más grave era que podía actuar como un transmisor de radio inadvertido , produciendo interferencias ( RFI ) en los receptores cercanos. [29] [108] [120] [121] [122] [124] En la recepción de AM, para obtener la mayor sensibilidad, el tubo se operó muy cerca de la inestabilidad y podía entrar fácilmente en oscilación (y en la recepción de CW oscilaba ), y la señal de radio resultante fue irradiada por su antena de alambre. En los receptores cercanos, la señal del regenerativo batiría con la señal de la estación que se recibe en el detector, creando molestos heterodinos , ( beats ), aullidos y silbidos. [29] Los primeros regenerativos que oscilaban fácilmente fueron llamados "errores". 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 usó en algunos receptores de onda corta en la década de 1930 y hoy en día se usa en algunas aplicaciones económicas de alta frecuencia, como walkie-talkies y abridores de puertas de garaje .
En el receptor regenerativo, la ganancia del bucle de retroalimentación era menor que uno, por lo que el tubo (u otro dispositivo amplificador) no oscilaba pero estaba cerca de la oscilación, dando 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 , todas sintonizadas 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 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 se podían hacer para "pista" lo suficientemente bien como para permitir esto, y cada circuito sintonizado tenía su propia perilla de sintonización. [12] [131] Por lo tanto, las perillas tuvieron 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 de ritmo ). , silbidos y gemidos, en el hablante. [29] [108] [109] [130] Esto se resolvió mediante la invención del circuito Neutrodyne (abajo) y el desarrollo del tetrodo más tarde alrededor de 1930, y un mejor blindaje entre etapas. [130]
Hoy en día, 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 en 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" agregado 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 de neutralización un capacitor alimentó una corriente de retroalimentación desde el circuito de placa al circuito de rejilla la cual estaba desfasada 180° con la retroalimentación que causó la oscilación, cancelándola . [108] El Neutrodino fue popular hasta la llegada de los tubos tetrodos baratos alrededor de 1930.
El receptor réflex , inventado en 1914 por Wilhelm Schloemilch y Otto von Bronk, [136] y redescubierto y ampliado 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 las 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 o transistores amplificadores, se demodula en un detector y luego la señal de audio resultante pasa nuevamente a través de las mismas etapas del amplificador 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 diferentes frecuencias, lo que permite que los tubos amplificadores cumplan una "doble función". Además de los receptores reflejos de un solo tubo, algunos receptores TRF y superheterodinos tenían varias etapas "reflejadas". [140] Las radios Reflex eran propensas a sufrir un defecto llamado "reproducción", lo que significaba que el volumen del audio no llegaba 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 Signal Corps , es el diseño utilizado en casi todos los receptores modernos, excepto en algunas 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 excedía el presupuesto de la mayoría de los consumidores, por lo que inicialmente se usó principalmente en comerciales. y estaciones de comunicaciones militares. [15] Sin embargo, en la década de 1930, el "superhet" había reemplazado a todos los demás tipos de receptores anteriores.
En el superheterodino, la técnica " heterodina " inventada por Reginald Fessenden se utiliza para cambiar la frecuencia de la señal de radio a una " frecuencia intermedia " (IF) más baja, antes de ser procesada. [14] [15] [16] Su funcionamiento y ventajas sobre los otros diseños de radio en esta sección se describen arriba en El diseño superheterodino.
En la década de 1940, el receptor de radiodifusión AM superheterodino se refinó hasta convertirlo en un diseño barato de fabricar llamado " All American Five ", porque sólo utilizaba cinco válvulas de vacío: normalmente un convertidor (mezclador/oscilador local), un amplificador de FI, un detector. /amplificador de audio, amplificador de potencia de audio y rectificador. Este diseño se utilizó prácticamente en todos los receptores de radio comerciales hasta que el transistor reemplazó al tubo de vacío en la década de 1970.
La invención del transistor en 1947 revolucionó la tecnología de la radio, haciendo posibles receptores verdaderamente portátiles, comenzando con las radios de transistores a finales de los años cincuenta. Aunque se fabricaron radios portátiles con tubos de vacío, los tubos eran voluminosos 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 los tubos de vacío.
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Las empresas comenzaron a fabricar radios anunciadas como portátiles poco después del inicio de la transmisión comercial a principios de la década de 1920. La gran mayoría de las radios de tubo de la época usaban baterías y podían instalarse y operarse en cualquier lugar, pero la mayoría no tenía características diseñadas para la portabilidad, como asas y parlantes integrados. Algunas de las primeras radios de tubo portátiles fueron el Winn "Portable Wireless Set No. 149" que apareció en 1920 y el Grebe Modelo KT-1 que siguió un año después. Los aparatos de cristal como el Westinghouse Aeriola Jr. y el RCA Radiola 1 también se anunciaron 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 e internacionales de onda corta. En la década de 1950, una "edad de oro" de los portátiles de tubo incluía radios de tubo del tamaño de una lonchera como el Emerson 560, que presentaba cajas de plástico moldeado. Las llamadas radios "portátiles de bolsillo", como la RCA BP10, existían desde la década de 1940, pero su tamaño real sólo era compatible 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 lugar a que se concedieran licencias a varias empresas de electrónica, como Texas Instruments , que produjo una serie limitada de radios transistorizadas como herramienta de venta. 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 verdaderas radios portátiles del tamaño de un bolsillo de camisa, con fabricantes como Sony , Zenith, RCA, DeWald y Crosley ofrecen varios modelos. [141] El Sony TR-63 lanzado en 1957 fue el primer radio de transistores producido en masa , lo que llevó a la penetración masiva de los radios de transistores en el mercado. [144]
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El desarrollo de chips de circuitos integrados (IC) en la década de 1970 creó otra revolución, permitiendo colocar un receptor de radio completo en un chip IC. Los chips IC invirtieron la economía del diseño de radio utilizado con receptores de tubos 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 dependían no de cuántos componentes activos se usaran, sino de los componentes pasivos; inductores y condensadores, que no se podían integrar fácilmente en el chip. [22] El desarrollo de chips RF CMOS , iniciado por Asad Ali Abidi en UCLA durante las décadas de 1980 y 1990, permitió fabricar dispositivos inalámbricos de baja potencia. [146]
La tendencia actual en los receptores es utilizar circuitos digitales en el chip para realizar funciones que antes se realizaban mediante circuitos analógicos que requieren componentes pasivos. En un receptor digital, la señal IF se muestrea y digitaliza, y las funciones de detección y filtrado de paso de banda se realizan mediante procesamiento de señal digital (DSP) en el chip. Otro beneficio del DSP es que las propiedades del receptor; la frecuencia del canal, el ancho de banda, la ganancia, etc. pueden cambiarse 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 realizadas por la electrónica analógica se pueden realizar mediante software . El beneficio 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. 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 comprime , generalmente utilizando un formato de codificación de audio por transformación de coseno discreto modificado (MDCT) , como AAC+ . [148]
Las "radios de PC", o radios diseñadas para ser controladas por una PC estándar, se controlan mediante un software de PC especializado mediante un puerto serie conectado a la radio. Es posible que una "radio PC" no tenga ningún panel frontal y que esté diseñada exclusivamente para control por computadora, lo que reduce el costo.
Algunas radios para PC tienen la gran ventaja de que el propietario puede actualizarlas en el lugar. Se pueden descargar nuevas versiones del firmware DSP desde el sitio web del fabricante y cargarlas en la memoria flash de la radio. Luego, el fabricante puede agregar nuevas funciones a la radio con el tiempo, como agregar nuevos filtros, reducción de ruido DSP o simplemente corregir errores.
Un programa de radiocontrol con todas las funciones permite el escaneo y muchas otras funciones y, en particular, la integración de bases de datos en tiempo real, como una capacidad de tipo "TV-Guía". Esto es particularmente 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, por lo que es posible "volar" a una ubicación determinada del transmisor con un clic del mouse. En muchos casos, el usuario puede ver las antenas transmisoras de donde proviene 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 características que se pueden encontrar en los programas de software de control avanzado actuales incluyen una tabla de bandas, controles GUI correspondientes a los controles de radio tradicionales, reloj de hora local y reloj UTC , medidor de intensidad de señal, una base de datos para escucha de onda corta con capacidad de búsqueda, capacidad de escaneo o texto. -Interfaz de voz .
El siguiente nivel de integración es la " radio definida por software ", donde todo el filtrado, modulación y manipulación de la señal se realiza en software. Puede ser una tarjeta de sonido de PC o una pieza de hardware DSP dedicada. Habrá una interfaz de RF para suministrar una frecuencia intermedia a la radio definida por software. Estos sistemas pueden proporcionar capacidad adicional sobre los receptores de "hardware". Por ejemplo, pueden grabar grandes franjas del espectro de radio en un disco duro para "reproducirlas" en una fecha posterior. El mismo SDR que en un minuto demodula una transmisión AM simple también puede decodificar una transmisión 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 mejorar las capacidades de la radio. [149]
señalización selectiva.
Acoplador suelto variómetro varioacoplador.
tikker heterodino.
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