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.
