Recepción de ondas de radio

Las técnicas de recepción de ondas de radio permiten restaurar la información analógica o digital transportada por una onda de radio  : se utilizan diversos esquemas de recepción, filtrado y demodulación, según las aplicaciones y las frecuencias. Han sido objeto de desarrollos espectaculares desde la aparición de los circuitos integrados (sintetizadores, procesadores).

Este artículo trata sobre las diversas técnicas que permiten restaurar la señal eléctrica recibida a la salida de la antena , para aplicarla a los circuitos de procesamiento.

Definiciones y límites

En un canal de telecomunicaciones radioeléctricas, los límites entre "antena", "recepción", "demodulación", "procesamiento de señales" se definen tanto por hábitos como por diferentes técnicas.

En general, en un sistema complejo (satélite, radar, etc.), los circuitos de "recepción" comienzan en la salida de la antena, siendo la señal en forma eléctrica, hasta que la salida del demodulador analógico principal. En "banda base" es a un nivel suficiente y permitiendo la posterior demodulación de sus diversos componentes, luego su procesamiento y posible decodificación.

La recepción se sitúa así después de la propagación de las ondas de radio , y de las antenas , y antes de las demodulaciones secundarias, multiplexación, decodificación, etc.

En un sistema simple, como la radiodifusión , el término "recepción" en realidad incluye todo, hasta la salida de audio, e incluso el altavoz .

Características principales de un receptor

Sensibilidad

La sensibilidad de un receptor es la amplitud de la señal que se aplicará a su entrada para obtener una determinada relación señal / ruido a la salida del demodulador . La sensibilidad de un receptor define su capacidad para recibir señales débiles. Se expresa de diversas formas en función de las aplicaciones:

• En radio AM o radio FM  : en voltios o dBV en la entrada para obtener una potencia de salida de audio determinada. Luego se mide usando un generador de señal calibrado; la señal de salida se modula al 30% mediante una señal de audio de 1  kHz .
• En radiotelefonía HF y VHF, es el nivel en la entrada de la antena que da una relación señal / ruido (S / N) dada en la salida de audio, en cada modulación. De hecho, el ruido en el receptor depende del ancho del filtro utilizado y del tipo de demodulación.

Ejemplo de especificación de un receptor de tráfico sensible: 0,3  µV en la entrada para 10  dB de S / N en la salida, en SSB. Siendo la S / N de 10  dB un límite bajo aceptable en SSB, es necesaria una señal de 0.3  μV para obtenerla, considerando solo la contribución del receptor (el ruido inherente de la antena, y especialmente del ambiente externo que puede ser predominante).

• En la transmisión de datos y la radio digital , es el nivel en la entrada de la antena que da una tasa de error (BER) menor que un valor dado.
• Para un receptor que ingresa a un sistema (ejemplo: microondas , repetidor de satélite, etc.), la sensibilidad se divide en dos parámetros: la figura de ruido de entrada y la ganancia general.

Dado que las señales de entrada pueden ser muy débiles, los niveles se expresan en microvoltios o en “dBµV” (dB en relación con 1 microvoltio).

La sensibilidad de un receptor depende esencialmente del factor de ruido de la primera etapa y su ancho de banda total.

Selectividad

La selectividad de un receptor describe la capacidad del receptor para separar la señal deseada de las señales perturbadoras (como otros transmisores en frecuencias vecinas). La selectividad se puede definir globalmente por el factor de rechazo del canal adyacente o del canal alterno, es decir, la relación entre las potencias medidas en el altavoz cuando, estando el receptor ajustado a la frecuencia Fp, el generador ajustado a la frecuencia Fp, Fp + LC o Fp + 2LC. LC es el ancho de un canal (5 o 10  kHz para transmisiones AM, por ejemplo).

Un receptor ideal presentaría una respuesta de frecuencia “cuadrada”: respuesta constante dentro del ancho de banda de modulación, rechazo total fuera del canal útil. Un receptor real se caracteriza por:

• sus fluctuaciones de ganancia y fase en la banda útil recibida, que deben minimizarse;
• su rechazo a los canales cercanos, para maximizarse;
• su rechazo general de señales fuera de banda, también para ser maximizado.

La respuesta del filtro debe ser lo suficientemente amplia para contener el espectro completo de la señal que se va a recibir y para aceptar las desviaciones de frecuencia del transmisor y el oscilador local del receptor. Por el contrario, la respuesta del filtro debe ser lo suficientemente estrecha para rechazar adecuadamente las emisiones adyacentes.

Estos diversos parámetros se expresan mediante un gráfico que da la respuesta de frecuencia del receptor accionado por un generador calibrado, con tres cifras principales:

• ancho en Hz a -3  dB  ;
• ancho en Hz a -20  dB  ;
• rechazo fuera de banda en dB.

La relación entre el ancho a -3  dB y a -20  dB define el factor de forma del filtrado (rigidez). La selectividad de un receptor viene dada esencialmente por la curva de respuesta de los filtros Fi y, para los receptores de banda estrecha, por el ruido de fase del oscilador local.

Dinámica

La dinámica de un receptor se expresa en varios aspectos:

• Canal útil dinámico: Relación entre la señal más grande tolerada en la entrada antes de la aparición de distorsiones y la señal más débil (determinada por el ruido del receptor). Esta dinámica se obtiene generalmente mediante un sistema de control de ganancia automático.
• Bloqueo: la máxima señal fuera de banda tolerada para un nivel de perturbación en la señal útil. Esta actuación está ligada a su rango de linealidad, siendo las etapas en cuestión las que están aguas arriba del filtro fi.
• Intermodulación: cuando el receptor recibe dos señales fuertes en su entrada de antena, desplazadas de su canal útil respectivamente por DF y 2DF, el fenómeno de intermodulación de tercer orden provocará la aparición de una señal espuria en su canal útil. Las etapas en cuestión son las situadas aguas arriba del filtrado Fi. La protección de intermodulación se evalúa mediante la entrada "punto de intercepción de intermodulación". Ver intermodulación .

El diseño de un receptor para señales de bajo rango dinámico en un entorno estable de ruido de radio (por ejemplo, un receptor de televisión por satélite) es de hecho mucho más simple que el de un receptor de tráfico, capaz de recibir una señal a un nivel de 1 microvoltio con señales de frecuencia cercana. a niveles de 100  mV por ejemplo.

Estabilidad

El término estabilidad reúne varias nociones, vinculadas a variaciones en el rendimiento en función de la temperatura, la tensión de alimentación y el envejecimiento.

El punto esencial es la deriva de la sintonía, por lo tanto de la frecuencia recibida, en función de la temperatura y el tiempo. Se expresa según varias escalas de tiempo:

• a corto plazo, durante la puesta en marcha de un receptor;
• a medio plazo, en función de la temperatura y la potencia, en Hz por grados C (Hz / ° C);
• a largo plazo, dependiendo del envejecimiento de los componentes, en límites absolutos de variación.

Para garantizar la estabilidad de frecuencia, los receptores pueden utilizar técnicas de compensación, estabilización de temperatura, control automático de frecuencia (AFC), osciladores de cristal que controlan un sintetizador, relojes maestros externos, por ejemplo atómicos, como algunos receptores GPS militares.

Cuando todos los osciladores de un receptor están controlados por un solo "oscilador maestro", la estabilidad de ese oscilador determina el rendimiento. Los órdenes de magnitud de las posibles estabilidades varían desde 10 -5 para un cuarzo estándar hasta 10 -7 para un cuarzo seleccionado y estabilizado en temperatura ( TCXO u OCXO ), hasta 10 -11 para un reloj atómico .

Ruido de fase

Este rendimiento define las fluctuaciones de fase agregadas a la señal por el receptor. Es esencial para la demodulación de fase (GPS, por ejemplo) o de frecuencia de banda estrecha. Estas fluctuaciones se deben principalmente a osciladores locales, a la calidad del oscilador maestro y a los métodos de síntesis que siguen. Los osciladores locales obtenidos por multiplicación de un oscilador de cristal, o por síntesis de frecuencia directa, exhiben menor ruido de fase que los obtenidos por VCO y síntesis de frecuencia de bucle de fase.

Se define como la relación señal / ruido de la señal de banda base, o de la señal demodulada, para una entrada de antena de alto nivel (para no tener ruido térmico, caracterizado por la sensibilidad).

Ajuste de afinación

Llamamos "sintonización" al hecho de llevar un circuito LC a la frecuencia deseada. Algunos circuitos pueden requerir una sintonización variable, si se van a recibir múltiples frecuencias. Estos son los filtros de entrada de RF y el oscilador local. Dependiendo de si un receptor va a recibir un canal fijo o una selección de canales, o una banda de frecuencia continua, utilizará varias técnicas de sintonización:

• el más simple: receptor de un solo canal ( GPS , control remoto de puerta, etc.);
• en el más sofisticado: receptor continuamente ajustable en pasos de 10 Hz que  cubren de 10  kHz a 1000  MHz (receptor de tráfico o de inteligencia).

Históricamente, la sintonización de los receptores se realizaba mediante componentes LC variables en filtros y osciladores de RF. Hoy en día, la sintonización variable del amplificador de RF sigue realizándose mediante elementos de sintonización variable, mientras que la sintonización del oscilador local la realiza el sistema de síntesis: bucle de bloqueo de fase o síntesis directa (DDS).

Respuestas espurias

Al estar programado un receptor en un canal determinado ("canal útil"), a menudo se observará que puede presentar una respuesta en otras frecuencias, si el nivel de señal en estas frecuencias es alto. Este rendimiento se evalúa por el nivel de antena necesario para producir una respuesta en estas frecuencias. La respuesta parásita más conocida para los receptores de cambio de frecuencia es la frecuencia de imagen principal: es la otra frecuencia (distinta de la frecuencia útil) que, en combinación con el oscilador local Fo, da una frecuencia igual a Fi.

Las otras posibles respuestas parasitarias son:

- La velocidad de fotogramas de la segunda mezcla, si existe.

- Todas las frecuencias de entrada Fp, combinadas con Fo, tales que n Fp + m Fo = fi (donde nym son números enteros relativos). Estas respuestas se deben esencialmente a los fenómenos de no linealidad, en particular del mezclador. Para una investigación exhaustiva, incluso consideraremos todas las combinaciones de los osciladores presentes en el receptor, con las frecuencias de entrada. Las respuestas parásitas están determinadas por el filtrado aguas arriba de los mezcladores, por las características de intermodulación de los mezcladores y por la pureza espectral de las oscilaciones aplicadas a estos mezcladores.

Distorsión de la señal demodulada

La señal del demodulador generalmente tendrá una forma diferente de la señal que se utilizó para modular el transmisor. Para los receptores analógicos, a menudo se expresa como un porcentaje de distorsión armónica. Para los receptores de señales digitales, se utilizará el diagrama de ojo . Esta distorsión puede deberse a:

la no linealidad del demodulador: por ejemplo, una característica no lineal del discriminador de frecuencia.

- filtrado Fi defectuoso: oscilador desplazado, filtro fi desplazado o demasiado estrecho, distorsión del tiempo de propagación del grupo del filtrado Fi. Este último defecto es particularmente problemático para las señales digitales, para las cuales se utilizarán filtros Fi de “ fase lineal ” si es necesario .

Protección en la pista útil

Puede suceder que una señal recibida sea perturbada por otra señal de la misma frecuencia. Por supuesto, si la señal perturbadora tiene un nivel más alto que la señal "útil", será muy difícil recibirla correctamente (a excepción de los sistemas de espectro ensanchado). Existen técnicas para mejorar la recepción en presencia de un bloqueador en el canal. Por ejemplo, si la señal útil está modulada en FM, la presencia del bloqueador generará, por adición, una variación de amplitud. Esta señal de amplitud se puede utilizar para corregir la señal demodulada. En general, el tipo de demodulador utilizado influirá en esta característica. Los demoduladores "iQ" permiten un procesamiento complejo y eficiente de la demodulación.

Otras especificaciones

La interfaz y las características de uso están íntimamente ligadas al tipo de aplicación:

• Impedancia de la antena: normalmente 50 ohmios, pero algunos receptores tienen una entrada de alta impedancia para MF;
• voltaje de suministro y rango;
• límites ambientales (humedad, temperatura, etc.);
• radiación de la entrada de la antena;
• finalmente, los receptores profesionales pueden especificarse en MTBF o de por vida en su aplicación.

Arquitectura de un receptor

La arquitectura de los receptores ha evolucionado gradualmente desde el detector simple hasta múltiples esquemas de conversión y sintetizadores. Los pasos principales en la definición de un receptor para una nueva aplicación, o una mejora de un concepto existente, están destinados a garantizar el rendimiento requerido:

• análisis de la cadena de ganancia: distribución, estabilidad, etc.
• análisis del plano de frecuencias: frecuencias de imagen, frecuencias parasitarias, etc.
• Análisis de filtrado: canal, rechazo de imagen, bandas cercanas, etc.
• análisis del factor de ruido global, todas las etapas incluidas: fórmula de Friis , etc.
• Análisis de osciladores locales y su método de generación: pureza espectral, estabilidad de frecuencia, etc.

Ganancia y estabilidad generales

La ganancia general del receptor se define por la relación entre el nivel de salida deseado y el nivel de entrada esperado más bajo.

Esta ganancia puede ser muy alta, por ejemplo, un receptor de tráfico que tiene que convertir una señal de 0,3  μV en la entrada, en una señal de 300  mV antes de la demodulación, es decir, una ganancia de 10 6 en voltaje o 120  dB en potencia.

Un circuito amplificador de una sola frecuencia se vuelve inestable al enclavarse si su ganancia excede los desacoplamientos entre la entrada y la salida, siendo esto tanto más difícil de obtener cuando aumenta la frecuencia. Evidentemente, este fenómeno de "captura" debe evitarse. La arquitectura de los receptores modernos permite distribuir esta ganancia entre la etapa de entrada y una o más etapas a frecuencias intermedias.

Definición del plan de frecuencias

El plan de frecuencias es el resultado de la elección de cambios de frecuencia y filtrado, lo que permite garantizar el desempeño de la estabilidad y selectividad de recepción, con un mínimo de frecuencias parásitas. Define los métodos para generar osciladores locales y el rendimiento de filtrado de las diferentes etapas. La elección del plan de frecuencia se basa en análisis de productos parásitos, tecnologías de oscilador local y filtros.

Cada mezclador produce frecuencias de mezcla no deseadas, además de recibir frecuencias de imagen. Cada oscilador produce, además de su frecuencia, múltiples armónicos. Estos diversos productos se denominan frecuencias de recepción espúreas o espúreas y deben colocarse fuera de la banda de recepción o minimizarse por debajo del nivel de ruido.

Históricamente, los receptores de cambio de frecuencia única han utilizado un oscilador de conmutación de cristales múltiples o un oscilador de condensador variable. La necesidad de una estabilidad mejorada para la modulación SSB o los modos digitales ha llevado a receptores con múltiples cambios de frecuencia, osciladores a sintetizadores, primer bucle de fase y luego síntesis directa.

Receptor de conversión simple

El receptor de conversión simple, históricamente llamado superheterodino, es la estructura de receptor más utilizada, tanto en radio y televisión como en frecuencias de microondas (radar, GSM, GPS, etc.). Se caracteriza por el uso de una etapa de cambio de frecuencia, que permite una amplificación más fácil de la señal.

En un receptor superheterodino, las diferentes funciones de amplificación, filtrado y demodulación se asignan a etapas separadas:

• la sensibilidad está determinada por los diferentes amplificadores;
• la selectividad está determinada por el filtro de FI;
• el rechazo de las frecuencias de imagen lo proporciona el filtro de entrada.

Calificaciones:

• Fo es la frecuencia del oscilador local.
• Fp es la frecuencia de recepción de la portadora.
• Fi es la frecuencia del amplificador intermedio.

El siguiente diagrama muestra la estructura del receptor superheterodino común utilizado en la radiodifusión AM.

Receptor con cambio de frecuencia múltiple

En el receptor superheterodino, el valor de la frecuencia intermedia influye tanto en la selectividad como en el rechazo de la frecuencia de la imagen. Cuando el IF es grande, el rechazo de la frecuencia de la imagen es fácil (ya que se ubica a 2.FI de Fp) pero es difícil obtener una buena selectividad.

Esta es la razón por la que ciertos receptores (de onda corta, pero también receptores de señales de satélite, radares, etc.) implementan un doble cambio de frecuencia. El primer cambio de frecuencia utiliza una frecuencia intermedia alta (FI1) (por ejemplo, 50  MHz ) para rechazar fácilmente la frecuencia de la imagen. La segunda frecuencia intermedia, FI2, será significativamente más baja (por ejemplo, 455  kHz ), lo que permite el uso de filtros piezoeléctricos que tienen una banda de paso estrecha y bordes pronunciados.

Dado que FI1 es fijo, el segundo oscilador local puede estar a una frecuencia fija, estabilizado mediante un cristal.

Este esquema de doble conversión se puede refinar aún más a una conversión triple, o incluso más, ya sea para permitir ajustes de filtrado o sintonización, o para permitir demodulaciones de señales con anchos de banda muy diferentes, por ejemplo, radio FM y telegrafía. Luego, cada demodulador está precedido por un amplificador y filtros a una frecuencia específica.

Órganos principales de un receptor

Filtro de antena o "preselector"

Elimina las señales no deseadas debido a las "frecuencias de imagen" ( ver más abajo ). Se coloca antes del amplificador de RF, para evitar su saturación por señales fuera de la banda útil. En un receptor de banda reducida, este filtro puede ser fijo, mientras que para un receptor de "todas las bandas" es conmutable, cada filtro cubre una banda, o media octava en los esquemas modernos.

Los filtros de cavidad se utilizan desde UHF hasta terahercios . En estos filtros es el campo electromagnético el que se filtra, gracias a la geometría de cavidades acopladas entre sí. Se utilizan, por ejemplo, en los diplexores de terminales de satélite. Estos filtros a menudo se reemplazan por filtros con resonadores dieléctricos, que tienen una reducción significativa de tamaño en comparación con las cavidades convencionales.

Los filtros de matriz de elementos reactivos permiten cualquier filtrado, paso bajo, paso alto o paso de banda, con bandas relativas bajas (10-50%). Se utilizan, por ejemplo, como preselectores (rechazo de frecuencia de imagen), en arreglos de cambio de frecuencia.

Los filtros de ondas de superficie permiten un filtrado de RF de alto factor de forma en VHF y UHF y son útiles si la banda utilizada está cerca de una banda con emisiones de alto nivel.

Amplificador de entrada

También llamado LNA ( amplificador de bajo ruido o amplificador de bajo ruido ), proporciona una primera amplificación. Está diseñado para obtener la mejor relación señal / ruido posible, especialmente en frecuencias superiores a 30  MHz . A estas frecuencias, el ruido exterior al receptor es bajo, por lo que el ruido interno es la principal limitación.

En las bandas de HF, la linealidad en presencia de señales fuertes es el principal factor de rendimiento. Siendo estos dos factores parcialmente incompatibles, los receptores de tráfico incluyen un control de ganancia o un atenuador, permitiendo elegir entre la optimización del factor de ruido o la dinámica.

Mezclador

Los mezcladores se utilizan en la señal en receptores de cambio de frecuencia, así como en circuitos generadores de osciladores locales.

El mezclador es un circuito de dos entradas, que proporciona en la salida una frecuencia de suma o diferencia de las dos frecuencias de entrada. El mezclador ideal es un multiplicador, lo que explica el símbolo utilizado. Debe ser lineal para la entrada "portadora" y crear un mínimo de productos de intermodulación no deseados.

Un circuito mezclador simple como un transistor bigrid crea, además de los componentes deseados, todos los productos de intermodulación entre las dos entradas, mientras que un circuito más complejo, como un mezclador balanceado, minimiza estos componentes.

El mezclador más simple es un dispositivo no lineal, por ejemplo un diodo, que recibe la suma de las dos señales: la señal portadora de bajo nivel, la señal del oscilador local de alto nivel. Este esquema se instaló en los primeros radares y todavía se utiliza en las bandas de terahercios cuando no hay ningún otro componente disponible.

Si se aplican señales de frecuencias Fo y Fp a la entrada del mezclador , en las salidas se encuentran señales a Fo y Fp pero también a Fo + Fp y | Fo - Fp |. El filtro IF eliminará los componentes Fo, Fp y Fo + Fp, dejando solo el componente | Fo - Fp | llamada frecuencia intermedia, FI.

El uso de un mezclador también introduce productos de mezcla no deseados: si el receptor está diseñado para F0 = Fp + FI, también se recibirá una señal de entrada en la frecuencia F0 + FI. Esta frecuencia F0 + FI (es decir, Fp + 2FI) se denomina "frecuencia de imagen" y debe eliminarse al nivel del filtro de entrada.

Oscilador local

Controla la segunda entrada del mezclador. Su frecuencia Fo se elige de modo que la frecuencia de entrada se convierta en una frecuencia intermedia. Por tanto, tiene dos frecuencias posibles: Fo = Fp + FI o Fp - FI.

Dependiendo de las frecuencias, puede provenir de una cadena multiplicadora, un sintetizador o un simple oscilador de cuarzo. Su nivel de salida debe permitir el funcionamiento del mezclador, por ejemplo unos 10 dBm para un mezclador de microondas balanceado.

Sintetizador

Los osciladores de bucle de fase local (o PLL ) se utilizaron por primera vez en la década de 1970 en la selección de subbandas, en pasos de 100  kHz o 1  MHz , los circuitos de división lógica aún no estaban disponibles. Esta frecuencia de paso seleccionado sirvió como el primer oscilador local, siendo siempre proporcionada la selección fina de frecuencia por un oscilador variable (o "VFO") como el segundo oscilador local.

La aparición de circuitos integrados en divisores variables permitió su uso hasta el paso de selección de canal, este esquema sigue siendo común en radiodifusión y televisión. Sin embargo, los sintetizadores de bucle único PLL tienen una limitación de tiempo de conmutación si el tono es fino, lo que se resuelve con los sintetizadores de bucle doble, utilizados en los receptores de tráfico modernos.

Los osciladores de síntesis directa o DDS ( síntesis digital directa ) están reemplazando gradualmente a los PLL. Permiten incrementos finos, sin tiempos de conmutación dañinos, acercándose así a la flexibilidad de los VFO.

Amplificador intermedio

El cambio de frecuencia amplifica y filtra a una frecuencia fija. El filtro utilizado depende de la banda relativa y de la rigidez a obtener. Debe eliminar las señales no deseadas en frecuencias cercanas a Fp, así como los componentes no deseados generados por el mezclador. En general, el filtrado de frecuencia intermedia es responsable de la selectividad de recepción, por lo que su ancho de banda debe ser ligeramente mayor que el de la señal a recibir, por ejemplo:

• aproximadamente 6  MHz para recepción de televisión terrestre, 30 MHz para televisión por satélite
• aproximadamente 75  kHz en radio FM
• 6 a 10  kHz en radio AM
• 2 a 3  kHz en SSB
• 500  Hz para telegrafía o teletipo de radio

Los filtros de circuito sintonizados, o más simplemente “filtros LC”, permiten bandas relativas medias (del 10% al 1%) hasta frecuencias UHF. Se utilizan, por ejemplo, en las frecuencias intermedias de los radares.

Los filtros piezoeléctricos son adecuados para frecuencias LF a VHF, permiten bandas relativas estrechas (del 1% al 0,01%). Pueden ser del tipo de filtro cerámico económico ampliamente utilizado en la recepción de televisión o radiodifusión. Los filtros de cuarzo más caros, dan una mejor respuesta de frecuencia (lados más empinados), se utilizan en receptores de radio profesionales o aficionados en HF (receptores de tráfico). No se puede cambiar la frecuencia central ni el ancho de banda. Para las señales digitales, los filtros de ondas de superficie permiten construir prácticamente cualquier forma de ancho de banda, desde unas pocas decenas de kHz hasta unos pocos MHz para altas tasas de bits. Tienen la enorme ventaja de tener una fase lineal y, por lo tanto, de no proporcionar distorsión de retardo de grupo.

El amplificador de frecuencia intermedia es responsable de la mayor parte de la ganancia del receptor. A menudo se compone de varias etapas con control automático de ganancia (AGC). Lleva la señal al nivel necesario para la demodulación.

Demodulador

En general, un demodulador opera la función inversa de un modulador. Mientras que este último modifica una de las características (amplitud o frecuencia) de una onda portadora, el demodulador extrae la información de la portadora y restaura la señal de banda base.

Para señales moduladas en amplitud, el demodulador puede ser un diodo rectificador, o un demodulador síncrono, más lineal.

Para señales moduladas en frecuencia o fase, el demodulador puede ser un discriminador, un detector de relación o un discriminador de coincidencias (también llamado detector de cuadratura o detector síncrono).

Las señales digitales a menudo se pueden modular tanto en fase como en amplitud, como la modulación DQPSK o las modulaciones QAM. El demodulador más adecuado es entonces el demodulador "iQ". Este demodulador, que permite demodular cualquier modulación , combina las salidas de dos mezcladores accionados respectivamente por la señal OL y por la señal OL con desfase de 90 °.

Otras estructuras receptoras

La estructura superheterodina, con uno o más cambios de frecuencia, es la más común en la actualidad.

Sin embargo, hoy en día están apareciendo nuevas versiones de receptores de conversión directa, gracias a técnicas modernas.

Históricamente se han utilizado otros esquemas desde la estación de galena , y los aficionados aún pueden experimentarlos.

Receptor de reacción

Este diagrama es una curiosidad histórica, pero permite una ganancia muy grande con un solo componente activo. El principio es poner un amplificador en el límite de la oscilación, una zona donde la ganancia aumenta indefinidamente. Solo la estabilidad de los acoplamientos y componentes limita la ganancia. La selectividad es pobre e inadecuada para las comunicaciones modernas.

Aquí se muestra un receptor simple y original que utiliza un tubo de vacío. El ajuste de la reacción se obtiene mediante un acoplamiento inductivo variable, la ganancia por el voltaje del ánodo.

Receptor de súper reacción

El receptor de superretroalimentación permite una forma muy sencilla de producir un receptor de modulación de amplitud, con una sensibilidad ligeramente menor que un receptor de cambio de frecuencia y con una banda de paso de 100 a 1000 veces menor que la frecuencia de la portadora, que puede ser suficiente para algunas aplicaciones. Tiene el inconveniente de irradiar en su entrada de antena , lo que implica el uso de una etapa amplificadora de RF para reducir esta radiación.

Principio: El receptor de supereacción consta de un oscilador polarizado de forma particular y precisa. Inicialmente, la energía en el circuito de sintonización es la de la señal instantánea recibida de la antena. Debido a la reacción positiva, esta energía se amplifica y aumenta exponencialmente (como con cualquier oscilador que se inicia). Después de unas pocas decenas de microsegundos, la energía de oscilación alcanza un nivel cercano al de un oscilador convencional. En este momento, la no linealidad del transistor provoca una modificación de la polarización (se ajusta por eso ...) y la ganancia colapsa: cesa la oscilación y volvemos al estado inicial: el ciclo comienza de nuevo. El tiempo de ciclo depende del nivel de la señal recibida, ya que es a partir de este nivel que la energía crece exponencialmente. Este tiempo es más corto si el nivel de inicio es más alto, es decir, si el nivel de la señal recibida es más alto: entonces tenemos una frecuencia de “corte” más alta. Por tanto, una variación en la amplitud de la señal recibida produce una variación en la frecuencia de corte. Esta variación de frecuencia de conmutación se puede traducir en una variación de voltaje de LF mediante el filtrado de paso bajo de la corriente del transistor. En principio, el receptor de supereacción tiene por tanto una característica logarítmica, ya que el tiempo de ciclo es la duración de una señal exponencial con un nivel inicial variable. Por tanto, puede aceptar variaciones de señal significativas.

Receptor con amplificación directa

La estructura de este receptor es muy simple:

• una o más etapas de amplificación llevan la señal de la antena a un nivel suficiente para permitir el funcionamiento correcto del demodulador (típicamente 300  mV );
• un filtro de banda elimina las señales no deseadas;
• el demodulador extrae de la señal modulada la señal moduladora, es decir, la información original.

En esta estructura, la sensibilidad y la selectividad están determinadas por el amplificador de RF. El receptor de amplificación directa solo se usa en aplicaciones simples, para captar un solo transmisor, cuya señal es relativamente fuerte. Se utilizó por ejemplo en los primeros receptores de televisión.

Receptor de conversión directa y demoduladores "iQ"

La estructura se parece a la del receptor superheterodino, pero aquí elegimos Fo = Fp. La frecuencia intermedia es por tanto cero, y encontramos en la salida del mezclador una señal de las bandas laterales, que es la propia señal moduladora en SSB o AM. Por tanto, el amplificador de FI, el filtro de FI y el demodulador han desaparecido.

• La sensibilidad del receptor está determinada por amplificadores de RF y AF. Debido a que la figura de ruido del amplificador de audio es mayor que la de un amplificador Fi, en principio es menor que la de un receptor superheterodino.
• La selectividad está determinada por el filtro AF.
• No hay frecuencia de imagen, por lo que hay menos filtrado de entrada.
• Fo debe ser estrictamente igual a Fp; de lo contrario, la señal demodulada se desplaza en frecuencia.

Esta estructura fue interesante por su simplicidad de realización, pero ya no se usa de esta manera.

De hecho, los componentes modernos, como los demoduladores "iQ" integrados, han hecho posible ahora diseñar receptores de conversión directa con buen rendimiento, en particular para las radiocomunicaciones digitales. En estos receptores digitales, la señal demodulada ya no es una señal de audio, es la señal de banda base digital.

Al procesar correctamente las dos salidas del demodulador iQ, se puede demodular prácticamente cualquier tipo de modulación.

Las principales dificultades se han resuelto con las siguientes mejoras:

- Sensibilidad: Se ha mejorado con el diseño de mezcladores eficientes, con bajo ruido y alta dinámica, lo que permite tener una ganancia de RF significativa, y así enmascarar el ruido térmico de la etapa de audio que sigue al mezclador. Además, se utiliza un demodulador “iQ” de forma generalizada que permite recuperar, según su configuración, las modulaciones de fase y frecuencia, o incluso las bandas laterales por separado.

- El ajuste del oscilador local en la frecuencia portadora: En algunos receptores, este ajuste se obtiene mediante un bucle de fase: la señal de salida del demodulador "iQ" permite obtener información sobre el desplazamiento de fase entre el OL y la portadora. recibió. Controlamos la frecuencia del LO para eliminar este desplazamiento. Otros receptores utilizan la técnica Fi “casi cero”: Aceptamos un desplazamiento entre el OL y la portadora recibida, sabiendo que las dos salidas del demodulador “iQ” permiten reconstituir la señal moduladora de todos modos.

Receptores de espectro ensanchado

Algunas redes de comunicaciones de radio digitales modernas (por ejemplo, ciertas versiones de los estándares 3G , Wi-Fi , Bluetooth, etc.) utilizan codificación de espectro ensanchado.

Hay dos tipos principales de codificación:

• " salto de frecuencia" ( FHSS ): la señal útil transmitida cambia constantemente de canal, más o menos rápidamente. En recepción, el oscilador local hace lo mismo, según un código acordado entre el transmisor y el receptor. Así, un aleatorizador perturbará solo una parte temporal de la señal, y esta última podrá reconstituirse si tiene una codificación digital redundante, gracias a un código corrector de errores .

• el DSSS  : el símbolo digital básico se divide a lo largo del tiempo, en la transmisión, en un gran número de símbolos elementales 0 o 1. Todos los símbolos elementales constituyen el código de enlace. Si el código incluye 64 bits, por ejemplo, el espectro resultante será 64 veces más ancho que el espectro de la señal original. En recepción, el receptor de banda ancha demodula esta compleja señal, "multiplicándola" por el mismo código: a la salida del demodulador se encuentra la señal original. Este tipo de codificación no es muy sensible a los efectos de múltiples trayectos (fadding) y permite realizar un gran número de comunicaciones en la misma banda, simplemente asignando un código diferente a cada una. De hecho, los usuarios utilizan códigos que son ortogonales entre sí: en la salida de cada demodulador, solo se encuentra la señal destinada al usuario, las señales destinadas a otros usuarios dan voltaje cero. Ver CDMA para una realización ejemplar.

Notas y referencias

1. [doc] Pierre Cornélis, "Curso de radioaficionados con miras a obtener la licencia completa" , en el sitio users.skynet.be
2. Venceslav F. Kroupa, Direct Digital Frequency Synthesizers , Wiley-IEEE Press, 1998 ( ISBN  0780334388 ) [ (en)  presentación en línea en amazon.com ]

Artículos relacionados

• Revisión de enlace
• Radio receptor
• Historia de la radio
• Receptor de cristal