jueves, 23 de diciembre de 2010

Despedida

Bien, pues hasta aquí hemos llegado. Han sido algo más de tres meses de inmersión en el mundo de los emisores y los receptores de RF, y la verdad que han cundido bastante. Tengo la certeza de que hemos aprendido cosas que, de no haber cursado esta asignatura, habríamos acabado la carrera sin saberlas.

Recomiendo encarecidamente esta asignatura a quien tenga la posibilidad de cursarla, y animo al profesor a seguir promoviendo la filosofía de que es mejor hacer cosas que ver cosas y a seguir con su metodología para impartir las clases.

Ahora que ya estoy al borde del final de la carrera y puedo hablar con conocimiento de causa, me gustaría decir que ojalá en otras asignaturas hubiese aprendido tanto como en ésta, y además con la claridad que he entendido algunos conceptos que hacía años que llevaba usando y que hasta ahora aun no había entendido.

Espero que mis explicaciones en el blog hayan estado mínimamente a la altura de la asignatura, y que quien lo lea pueda hacerse una vaga idea de lo que ha dado de sí el temario.

Hasta el próximo blog! :-)

Sesión 24

Para finalizar el diseño del receptor de la radiobaliza, acabamos revisando como realizar una doble conversión. Con la doble conversión será posible trasladar la señal de 7-8kHz de la primera conversión a una frecuencia más baja (1kHz), la cual será cómodamente audible y se podrá reproducir mediante un altavoz, añadiendo una etapa amplificadora previamente.

Remataremos el asunto comentando brevemente las posibilidades de añadir un procesado digital de la señal a nuestro receptor, utilizando para ello la tarjeta de sonido de un PC.

La etapa de conversión en baja frecuencia (de 8KHz a 1KHz), se podría implementar directamente con el procesador de la tarjeta, reduciendo de esta manera el circuito necesario. Quedaría reducida a unas pocas líneas de código que llevarian a cabo la multiplicación y posterior amplificación, junto con el control de volumen.

Para evaluar las posibilidades de realizar dichas operaciones mediante la tarjeta de sonido, vemos una pequeña demostración de dos programas software que permiten trabajar con dicho hardware del PC de una forma relativamente sencilla, y además ofrecen herramientas de visualización.

De los dos programas vistos, cabe destacar uno denominado "BasicDSP", el cual está disponible libremente y es además muy completo. Permite definir el comportamiento a través de unos scripts muy intuitivos que se pueden guardar en disco y recuperarlos posteriormente.

miércoles, 22 de diciembre de 2010

Sesión 23

Acabamos la pasada sesión hablando de una versión simplificada del multiplicador, y para ello teníamos en cuenta que una de las señales de entrada siempre era de tipo sinusoidal.

La implementación de este tipo de multiplicador consistía en conmutar entre la señal original y su versión negada a la frecuencia del oscilador local. De ahí proviene el nombre de mezclador conmutante.


Un ejemplo de mezclador conmutante completo lo tenemos en la célula de Gilbert, la cual está basada en el circuito anterior.

Comercialmente se dispone del circuito integrado NE602 de Philips, un mezclador basado en la celula de Gilbert y que permite realizar las operaciones descritas con relativamente pocos componentes externos.


Los terminales 1 y 2 son la entrada de la señal a multiplicar. Los terminales 6 y 7 permiten acceder a un seguidor de tensión, el cual facilita la implementación de un oscilador local, la señal presente en 1 y 2 se multiplicará por un seno de la misma frecuencia que la del oscilador local implementado con la red conectada a los terminales 6 y 7.

Por último, el resultado de la multiplicación (desplazamiento en frecuencia) aparece en el terminal 4 y además aparece su versión negada en el terminal 5. Esta configuración permite conectar directamente un amplificador diferencial, que duplicará la amplitud de la señal resultante y eliminará el ruido en modo común.

Acabamos la clase realizando el montaje del receptor de la radiobaliza con el NE602:


El condensador variable de la red del oscilador local (pin nº6) está pre-ajustado para conseguir que oscile a 27'01MHz. Su ajuste es crítico (lo vimos en sesiones anteriores) y por ello se ha realizado previamente con las herramientas necesarias.

El filtro paso-banda situado entre la antena y los terminales de entrada (1 y 2) posee un condensador ajustable para sintonzarlo correctamente a 27MHz.

El circuito se alimenta a 5v mediante un regulador lineal 7805 que tendrá como entrada una tensión de 9v.

Finalmente, conectamos el osciloscopio USB (PicoScope) a los terminales de salida y verificamos que se recibe la señal de algo menos de 10KHz cuando la radiobaliza transmite. El reducido ancho de banda de este osciloscopio actúa como filtro paso bajo y elimina la réplica de la señal a frecuencia 2fr+fint.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 22

Empezamos esta penúltima semana del curso entrando de lleno en el diseño de un receptor para la radiobaliza de 27MHz realizada en las sesiones previas.

A la hora de plantear el diseño de un receptor de RF, se debe tener en cuenta que en el espectro radioeléctrico existen multitud de perturbaciones que harán necesaria una relación S/N mínima para poder detectar la información de interés.

Como ya se vio en pasadas sesiones, al margen del ruido existen otros factores que condicionan en gran medida la potencia recibida, como la distacia entre emisor y receptor o altura de las antenas.

Para determinados anchos de banda (p.ej. 3KHz) es posible encontrar tablas que indican la relación S/N mínima en función del tipo de información que se transmite.


Para estudiar el ruido que capta una antena se utiliza un símil con una resistencia. Una resistencia que no está a 0ºK tiene una carga que es nula en promedio pero no instantáneamente, así la potencia de ruido se calcula como:


Donde K es la constante de Boltzmann, T la temperatura en grados Kelvin y B el ancho de banda con que se mide la tensión de ruido.

Por extensión, una antena también captura una tensión de ruido que se cuantifica asimilándolo al producido térmicamente en una resistencia. De ahí el parámetro "temperatura de la antena" que nos da una idea del ruido que captura la antena en un determinado entorno y en un determinado ancho de banda.

Así pues, conocida la potencia de ruido que captará el receptor y la relación S/N mínima, es posible obtener la potencia de señal mínima necesaria:


Si pasamos a trabajar en dBm / dB, entonces la expresión será:


Ahora estudiamos el caso especial en el que la S/N mínima sea de 0dB, y llamaremos a esta situación Mínima Señal Detectable, la expresión quedará como sigue:


Empezamos con el diseño de las etapas del receptor. En primer lugar se plantea la realización mediante amplificación directa, es decir, mediante un único filtro paso-banda con amplificación K en el pico.

Dado que para conseguir los 0'3v (necesarios en el detector de envolvente) será necesario amplificar la señal recibida, en el caso de utilizar amplificación directa, la ganancia en el pico necesaria en el filtro será muy elevada, lo cual será difícil de construir.

Para solucionar las dificultades en la construcción del filtro, se propone la utilización de un receptor heterodino, llamado así porque utiliza dos frecuencias diferentes.

La ventaja del receptor heterodino radica en el hecho de desplazar la señal recibida a una frecuencia en la que sea más fácil construir el filtro. Es más, podemos encontrar filtros a determinadas frecuencias disponibles comercialmente, con lo que bastará con desplazar la señal a esas frecuencias.

El desplazamiento en frecuencia se consigue multiplicando la señal recibida por una senoide procedente de un oscilador local. La frecuencia del oscilador local será la utilizada en el emisor (fr=27MHz) y sumada/restada la frecuencia a la cual se quiere desplazar (en adelante fint).

El resultado de la multiplicación será: por un lado la señal desplazada a la frecuencia fint y por otro una réplica a frecuencia elevada (2xfr-fint) que desaparecerá al filtrar paso-banda.

El multiplicador también permite amplificar, con lo que la ganancia necesaria para poder atacar al detector de envolvente se podrá repartir y no recaerá toda en el filtro.

El gran inconveniente de este tipo de receptor consiste en que una señal de frecuencia imagen (fr-2fint) también atraviesa el receptor y se desplaza a la misma frecuencia fint, con lo que supondrá una interferencia. Este problema es especialmente grave en onda media, ya que se trabaja típicamente con filtros situados en 455KHz y las frecuencias imagen caen dentro de la banda disponible, con lo que es factible encontrar emisiones que se interfieran.

Para solucionar la problemática de la frecuencia imagen, una posibilidad sería cambiar la frecuencia fint, no obstante la frecuencia 455kHz es muy común y los filtros disponibles trabajan mayoritariamente a esa frecuencia. Otra solución más factible, y de hecho es la utilizada habitualmente, consiste en situar un filtro sintonizable, que elimine cualquier posible señal de frecuencia imagen, a la entrada del receptor.

Otra posible solución consistiría en utilizar una doble conversión, usando una fint alta en la primera conversión nos podemos asegurar que la frecuencia imagen quede fuera de la banda, e incluso que la propia antena haga de filtro.

Llegados a este punto, se comenta brevemente el funcionamiento del demodulador síncrono, el cual basa su funcionamiento en desplazar la señal recibida a la banda base, requiriendo así únicamente un filtrado paso bajo y evitando la necesidad de un detector de envolvente.

Una vez observadas las bondades del receptor heterodino, decidimos aplicar el esquema del receptor heterodino al receptor de la radiobaliza. En nuestro caso desplazaremos la señal recibida a 10KHz, para ello será necesario un oscilador local de 27'01MHz.


A la salida del detector de envolvente se ha colocado un comparador que hará que se encienda un LED cuando se reciba la señal del emisor de la radiobaliza.

Para construir el receptor heterodino es necesario un multiplicador analógico, y llegados a este punto es necesario aprender a implementar este tipo de dispositivos.

Un multiplicador analógico comercial es un elemento complejo y de coste elevado, por lo que sería interesante encontrar una alternativa. En este punto nos fijamos en que una de las dos señales que entran al multiplicador siempre será de tipo sinusoidal, lo que permite simplificar la estructura del multiplicador.

Dada la naturaleza sinusoidal de una de las señales del multiplicador, el modelo 'matemático' de la operación realizada sería el siguiente:


Dicha operación equivale a la conmutación entre la señal de entrada y su versión invertida, siendo la frecuencia de conmutación la del oscilador local.

Esta estructura es mucho más simple de construir. En la proxima sesión veremos que existen en el mercado dispositivos integrados específicos para realizar esta tarea y estudiaremos como utilizarlos.

Finalizamos la sesión viendo el datasheet de un multiplicador analógico comercial de una marca conocida.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

jueves, 9 de diciembre de 2010

Sesión 21

En esta sesión vamos a terminar el emisor de la radio-baliza, para ello se añadirá al oscilador de 27MHz (diseñado en la sesiones anteriores), un circuito que permita realizar una modulación ON/OFF con un periodo de 1 segundo.

Con las condiciones de modulación anteriores y sabiendo que tenemos una portadora de 27MHz, la estructura del receptor puede ser la siguiente:


A la salida de este receptor se tendrá una señal de 1KHz de 1/2 segundo de duración y que se repetirá cada segundo, la cual, mediante un sistema de amplificador + altavoz, reproducirá un pitido claramente audible.

Para conseguir una modulación ON/OFF de la salida del oscilador, es necesario poder hacer que éste oscile a voluntad.

Una primera idea para conseguirlo, puede consistir en controlar la alimentación del circuito mediante un interruptor electrónico, pero ojo, entre los terminales de alimentación tenemos un condensador de desacoplo grande, lo que comportará una constante de tiempo elevada en las conmutaciones.

Una solución más adecuada consiste en controlar el terminal emisor del transistor:


El control del oscilador con este circuito es el siguiente:

  • Vc = 15v - El transistor está en corte y el oscilador no funciona.
  • Vc = 0 - El transistor está en zona activa y el circuito oscila.

Ahora que ya sabemos como controlar el funcionamiento del oscilador, es necesario un circuito que permita una secuencia de activación / desactivación periódica.

Una solución sencilla y al alcance de cualquier aficionado a la electrónica es el circuito integrado NE555, que permite generar una señal rectangular de 0 - 15v con muy pocos componentes externos:


Para conseguir una señal que tenga, por ejemplo, 1 segundo a 0v y 1 segundo a 15v, los valores adecuados serían:

C=47μF, R1=1K, R2=27K

Finalmente, se conectan modulador y oscilador juntos para formar el emisor de pulsos de 27MHz:


Para verificar el funcionamiento del modulador, se ha añadido un diodo LED que se encenderá cuando se emite la señal de 27Hz.

Se finaliza la clase en el laboratorio, realizando el montaje práctico del circuito anterior. Una vez verificado el funcionamiento del 555, se conecta una antena y con un receptor sintonizado en 27MHz, comprobamos que se escucha un tono intermitente de 1KHz, con la misma cadencia que se observa en el parpadeo del LED.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

Sesión 20

Empezamos la sesión viendo las posibilidades existentes para modificar ligeramente las frecuencias fs y fp del cristal de cuarzo. Existen dos posibilidades:

  • Condensador variable en paralelo: permite disminuir fp.
  • Condensador variable en serie: permite aumentar fs.

En cualquier caso, lo que no es viable es disminuir fs o aumentar fp.

En la pasada sesión se comentó que el cristal de cuarzo, para frecuencias situadas entre fs y fp, presentaba un comportamiento inductivo. De hecho se puede demostrar que, entre dichas frecuencias, el cristal se comporta como un inductor cuyo valor se situa entre 0 e infinito.

Gracias al comportamiento inductivo del cristal, en un circuito oscilador es posible sustituir el inductor existente por un cristal. Veamos el ejemplo del oscilador de Colpitts:


En el circuito anterior se ha sustituido el inductor por un cristal de 27MHz. La peculiaridad de este montaje consiste en que el cristal, que en modo inductivo puede tomar cualquier valor entre 0 e infinito, se comportará como un inductor justamente del valor adecuado para que el circuito oscile a dicha frecuencia.

Teniendo en cuenta esto, el condensador variable Cv será innecesario y por eso desaparece del circuito con el cristal, igual que el desacoplo en DC, ya que en DC el cristal es un circuito abierto y no un cortocircuito como ocurría con el inductor.

Si probamos este circuito en nuestro laboratorio, observaremos que no oscila a 27MHz sino a 9MHz. Esto ocurre porque el oscilador está tallado para funcionar con sobre-tono (over-tone). Este tipo de cristales tienen un modo fundamental y funcionan correctamente en el tercer armónico de dicho modo, lo cual facilita su fabricación, ya que se pueden hacer con un grosor mayor.

Del estudio de los teóricos de circuitos, surge una nueva configuración de oscilador:


Resolviendo el circuito anterior, se llega a la siguiente condición de oscilación:


En un ejemplo de circuito con la nueva configuración de oscilador, la etapa amplificadora se puede implementar mediante una puerta NAND, y en el filtro paso-banda sustituir el inductor por un cristal de cuarzo:


La desventaja de este oscilador que acabamos de ver, denominado oscilador de Pierce por llamarse así su inventor, es que oscila en el modo fundamental del cristal, por lo tanto no es válido para trabajar con un un cristal que funcione con sobre-tono.

A continuación se estudia otro ejemplo, basado en un amplificador construido mediante un transistor bipolar. En este caso se utilizará una variante de circuito de polarización, con dos resistencias conectadas en la base:


En este circuito, el filtro paso-banda formado por la bobina y el condensador variable, sintonizados a un valor algo inferior a 27MHz, permite el funcionamiento del oscilador con un cristal con sobre-tono, el cual se coloca en el lazo de realimentación.

Acabamos la sesión en el laboratorio, en él llevaremos a cabo el montaje del oscilador de Pierce con amplificador basado en BJT visto anteriormente, y observaremos que su funcionamiento es correcto.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de Radioreceptores.

lunes, 29 de noviembre de 2010

Sesión 19

En la pasada sesión vimos que para construir un analizador espectral se utilizaba un filtro paso-banda de frecuencia central variable. Para conseguir el mismo efecto utilizando un paso-banda de frecuencia central fija, se recurría a un multiplicador y un oscilador con frecuencia controlable.

También se vio que, para automatizar el barrido de frecuencias en el analizador, era necesario poder controlar la frecuencia del oscilador mediante una tensión.

Así pues, en esta sesión nos centraremos en como conseguir un oscilador con frecuencia controlable por tensión y se describirá un componente vital en circuitos que precisan generar una determinanda frecuencia: el cristal del cuarzo.

Basándonos en la estructura del oscilador construido en la sesión 17, llegamos a la conclusión de que el elemento que permite variar la frecuencia del oscilador es un condensador variable. Así pues, parece lógico pensar que, para conseguir un oscilador de frecuencia controlable mediante una tensión, sea necesario tener un condensador cuya capacidad se modifique precísamente con una tensión.

Si pensamos en como está construido un diodo semiconductor, observamos que en polarización inversa se comporta como un condensador: una zona N y otra P (que actuan como placas) separadas por una barrera de potencial (que actúa como dieléctrico). Variando la tensión aplicada en sus terminales varía el tamaño de la barrera, y por tanto también la capacidad del condensador que se forma.

Un tipo especial de diodo, denominado Varicap, está construido de manera que maximiza el efecto condensador y por tanto es el más adecuado para este tipo de aplicaciones.


En la figura anterior se observa el montaje realizado para conseguir un condensador de capacidad controlada por tensión. La resistencia de gran valor limita la corriente que circula por el diodo y el condensador (también de capacidad elevada) evita que la tensión de control interfiera en el circuito al cual se conecta.

Pasamos rápidamente al laboratorio para añadir el circuito con el varicap a nuestros oscilador de 27MHz y verificar su comportamiento. Los resultados obtenidos son satisfactorios.

Se obtiene una variación pequeña al conectarlo en paralelo con C2 y mayor al conectarlo en paralelo con Cv. Como el condensador variable está soldado a la placa y no se puede extraer, el efecto de variación de la frecuencia del circuito añadido es menor de lo esperado.


El cristal de cuarzo

A menudo es necesario dotar un circuito de un determinado patrón de frecuencia que sea inalterable, es decir, que no dependa del valor de un determinado condensador o bobina y que permanezca estable al variar las condiciones del entorno.

Los cristales de cuarzo se obtienen tallando el cuarzo en delgadas láminas de geometría muy precisa. Posteriormente se metalizan las caras opuestas y se encapsulan.

Segun sea el tipo de corte, el efecto piezoeléctrico proporciona un comportamiento selectivo en frecuencia, que tiene unas características muy estables.

Se puede resumir su comportamiento en base a dos frecuencias caracterísiticas própias del cristal y su corte (fs y fp):

  • f < fs: Comportamiento capacitivo.
  • f = fs: Cortocircuito.
  • fs < f < fp: Comportamiento inductivo.
  • f = fp: Circuito abierto.

Las frecuencias fs y fp son extremadamente estables, el intervalo que las separas es de tan sólo unos pocos KHz y se pueden ubicar a varias decenas de MHz.

En esencia, podemos interpretar el cristal de cuarzo como un interruptor que se cierra únicamente a la frecuencia que nos interesa. Una forma simple de añadirlo a nuestro oscilador será colocarlo en el lazo de realimentación, de esta manera el lazo sólo se cierra (y por tanto el oscilador funciona) a la frecuencia de interés.

Finalmente, volvemos al laboratorio para colocar el cristal de cuarzo de 27MHz en el lazo de realimentación de nuestro oscilador, y comprobamos que el ajuste del condensador variable sólo permite que éste oscile a dicha frecuencia, en el momento en que variamos el ajuste, el oscilador deja de funcionar.

Nota: Las imágenes mostradas en este post han sido extraídas de los apuntes de la asignatura Diseño de radioreceptores.