Sesión 4

En esta sesión nos adentramos en el funcionamiento del receptor de AM. Se empieza viendo la estructura clásica del receptor basado en un multiplicador y se demuestra que, multiplicando la señal recibida por un coseno de la misma frecuencia que el utilizado en el transmisor, se recupera el tono de prueba inyectado, además de otros componentes que se pueden filtrar fácilmente.

La estructura clásica del receptor tiene varias desventajas:

• Por un lado el hecho de que el coseno utilizado debe tener exactamente la misma frecuencia, en caso contrario la voz recuperada estará desplazada en frecuencia y será difícil de entender, este fenómeno se demuestra empíricamente en clase utilizando un receptor con demodulador síncrono.
• La otra desventaja importante radica en el uso de un multiplicador, ya que esto complica y encarece la construcción del receptor.

Se hace un pequeño inciso para explicar como se reparte el espectro para las diferentes emisiones , y vemos que se divide en canales de 4+4kHz, para dar así cabida a la doble banda lateral de 4kHz. Además se deja una guarda de 2kHz entre cada canal, por lo que cada canal ocupa un total de 10kHz.

Volviendo a la estructura del receptor, se estudia la opción de colocar un oscilador de frecuencia variable (sintonía) para solventar el problema de conseguir frecuencias idénticas en transmisión y recepción, pero seguimos teniendo el problema del multiplicador...

Dado que el interés principal en la radiodifusión comercial se centra en llegar al máximo número de personas posible, es vital que los receptores sean económicos, aún a costa de encarecer el transmisor. Con esta idea en mente, se encontró una solución al problema del multiplicador:

Se suma un offset a la señal de voz en el transmisor, de manera que ésta no tenga valores negativos en ningún caso. Con esta modificación en el transmisor, la recuperación de dicha señal de voz en el receptor se podrá realizar con un sencillo detector de envolvente, sin necesidad de multiplicador.

Este es el aspecto de una señal modulada en amplitud:

Se define el concepto de índice de modulación como la relación entre la amplitud de la señal de información o moduladora (Vm) y la tensión de offset que le aplicamos con el sumador (Vc). Si nos fijamos en la imagen anterior, el índice de modulación (m) se puede calcular fácilmente como:

m = (A+B) / (A-B)

A continuación pasamos al laboratorio: 

A través de las tomas disponibles en cada puesto de trabajo recibimos una señal modulada en amplitud, el experimento consiste en medir los diferentes parámetros vistos en clase.

Averiguamos que se trata de una portadora de 100kHz (este dato casi nos cuesta un accidente aéreo...) modulada por un tono senoidal de 1kHz (0,5Vpp) y que tiene un índice de modulación del 50%. La tensión de offset en el sumador es de 1,25 voltios.

De vuelta a clase, se explica que el detector de envolvente tiene como límitación el hecho de necesitar un mínimo de 0,3 voltios para funcionar, lo que obligará a incluir un amplificador de RF que eleve la tensión recibida por la antena.

Para finalizar, se aborda el estudio del filtro paso-banda sintonizable que permite discriminar todas las emisiones que no son la que nos interesa. En este punto se hace patente la volatilidad de los conocimientos sobre filtros y la problemática de trabajar a frecuencias en las que ciertos dispositivos (p.ej. le AO) no funcionan bien, y se comenta brevemente un ejemplo de este tipo de filtros hecho con elementos pasivos (RLC).

Sesión 3

Empezamos la sesión en el laboratorio, donde se verifica experimentalmente el método propuesto en el ejercicio nº2:

http://dl.dropbox.com/u/6935775/TestTDH.pdf

El experimento pretende medir la distorsión armónica (THD) de un receptor de radio (ETON Mini 300) en el rango de OM, y tras las pruebas vemos que efectivamente funciona y que podemos medir el valor de los armónicos que añade el receptor al tono de 1,2MHz que le inyectamos.

Pasamos al aula, donde se introduce la problemática de las comunicaciones a larga distancia y el efecto que tiene sobre ellas la curvatura de la tierra.

Se comentan los métodos de transmisión de ondas de radio a larga distancia:

1. Directo: Antenas lo suficientemente altas para salvar la curvatura terrestre.
2. Ondas de superfície: Siguen la curvatura de la tierra, están limitadas por las características del terreno (planitud y grado de humedad) y la frecuencia de trabajo (f < 2MHz).
3. Refracción ionosférica: Útil para frecuencias de 2 a 30MHz, depende de los factores que alteran la ionización de la ionosfera: día/noche, verano/invierno, actividad solar, etc…

En la segunda parte de la sesión teórica, se introduce la naturaleza de las señales de audio y la forma en como éstas se convierten en una magnitud eléctrica cambiante en el tiempo (el micrófono).

El oído humano puede escuchar frecuencias entre 20Hz y 20KHz aunque el rango depende de cada persona, ahora bien si sólo nos quedamos con la parte comprendida entre 300-3400Hz el mensaje sigue siendo inteligible y podemos identificar al locutor.

Dado que sería inviable trabajar con antenas tipo dipolo λ/2 o monopolo λ/4 a las frecuencias comentadas, es necesario desplazar la señal de audio en el espectro. El desplazamiento espectral consiste en transportar la señal de audio a una frecuencia donde sea viable transmitirla, pero manteniendo la información en cuanto a ancho de banda y amplitud, en otras palabras, si la voz es más aguda o más grave o si habla alto o bajo.

Una forma de producir este desplazamiento espectral consiste en utilizar un multiplicador analógico que multiplique la señal de audio por una señal portadora sinusoidal a la frecuencia en la que se quiere emitir. Se trata de la conocida modulación de amplitud (AM).

Una de las desventajas de la modulación AM es que la información se radia por duplicado, ya que se transmiten dos senoides que contienen la misma información.

En la próxima sesión veremos como se recibe y recupera la señal de audio enviada.

Sesión 2

Después de reinventar la radio en la primera sesión, en la segunda el tema central va a ser el ruido y el modo en como afecta éste a la planificación de radioenlaces.

El entorno en que funcionan los dispositivos de transmisión / recepción de señales de radio, está contaminado por el ruido. A bajas frecuencias, es especialmente importante el ruido provocado por impulsos de corta duración y valor elevado, como por ejemplo: motores, fluorescentes, tormentas, etc...

Este tipo de ruido tiene un valor constante y ocupa todo el espectro, por lo que crea un umbral de recepción mínima en todas las frecuencias (especialmente en las más bajas), por debajo del cual es imposible discernir la señal emitida del propio ruido.

Para planificar el diseño de un radioenlace, es necesario conocer el nivel de ruido captado por el receptor en ausencia de emisión. Las propias características del receptor, nos dirán que relación señal a ruido (S/N) precisa para poder funcionar y por tanto se podrá calcular la mínima señal detectable (MSD).

Conociendo el valor de la MSD y aplicando la expresión de la potencia transmitida/recibida (vista en la sesión anterior), es posible determinar la potencia necesaria en el transmisor para que la recepción sea correcta a una cierta distancia.

En ocasiones, la distancia que separa el radioenlace así como los parámetros del receptor, estarán fijados y por tanto únicamente se podrá actuar sobre el transmisor: o bien transmitiendo a mayor potencia (si es posible) o utilizando una antena de mayor ganancia. Concretamente se ha hablado de un modelo muy popular y que podemos encontrar en los tejados de la mayoría de edificios: La Yagi-Uda.

Antes de continuar se hace un repaso de nuestros amigos los dB's y sus parientes cercanos los dBm, una forma de relacionar entre sí potencias de baja magnitud.

Clarificados estos conceptos, se comprueba como se simplifica la expresión de la potencia transmitida/recibida al utilizar las magnitudes en dichas unidades, quedando ésta reducida a una suma de términos.

Para finalizar se ha visto el datasheet de una antena Wi-Fi comercial y también el de una tarjeta PCI con un monopolo en λ/4 para el mismo tipo de redes.

Sesión 1

Tras una primera sesión introductoria sobre el funcionamiento de la asignatura, en la siguiente ya entramos de lleno en materia.

El temario de la asignatura está planteado de manera que los diferentes puntos se vayan tratando a través del estudio de tres proyectos de diseño:
 

1. Un receptor de OM (Onda Media) con estructura regenerativa.
2. Un emisor y receptor heterodino para la banda de 27MHz.
3. Un receptor con estructura "FLL" para radiodifusión en FM.

Empezamos con el estudio del receptor de OM con estructura regenerativa.

El primer concepto a asimilar es el hecho de que la TC (Teoría de Circuitos) básica que habitualmente se emplea para el diseño, deja de cumplirse a medida que aumentamos la frecuencia de trabajo.

Lejos de ser una desventaja, el comportamiento de los conductores en longitudes de onda (λ) comparables a su longitud física es la base del funcionamiento de las antenas.

Desde el punto de vista de radiocomunicaciones, una relación entre la longitud y la longitud de onda interesante se tiene al cumplirse:

l = λ/2

En ese momento, el conductor se comporta como una carga puramente resistiva de 72 Ω. Al hacer que el un dipolo cumpla dicha relación, se puede imaginar éste como una caja negra de resistencia 72 Ω y que es capaz de generar radiación electromagnética, es decir, que actúa como una antena.

Este fenómeno es reversible, lo cual quiere decir que dicha antena también puede ser utilizada para recibir una radiación electromagnética de ese valor de λ.

Se introduce el concepto de potencia media radiada y se estudia su expresión.

P = Vm2 / 2R

Se define una onda electromagnética como una combinación ortogonal de un campo eléctrico y un campo magnético, así como el concepto de impedancia del vacío como la relación entre ambas (120π).

Para introducir los conceptos de radiación isotrópica y área de captura se utiliza el símil de una bombilla: ésta radia la luz en todas direcciones por igual (radiador isotrópico). Si nos fijamos en cuanta iluminación recibe una zona concreta, estaremos hablando del área de captura. Si colocamos un reflector a la bombilla, la iluminación en el área de captura será mayor, estará multiplicada por un factor llamado ganancia respecto al radiador isotrópico.

A continuación se define la expresión de la potencia capturada:

P = Pt Ac Gt / 4πr2

A parte del dipolo en λ/2 se comentan otros tipos de antenas:

● El Monopolo en λ/4: Se substituye la mitad del dipolo λ/2 por un plano de masa, así se consigue una antena con la mitad de longitud.
   
● Al trabajar en OM la longitud de un dipolo en λ/2 o incluso un monopolo en λ/4 serían tan grandes que haría inviable la construcción de un receptor. Afortunadamente se inventó la antena tipo bobina, que en lugar de utilizar el campo eléctrico, utiliza el campo magnético.
 

La antena tipo bobina tiene un núcleo de ferrita para conseguir una permeabilidad magnética elevada, la ferrita es un material con las mismas características que el hierro pero que no es conductor.

Empezamos...

Hola a tod@s!

Este blog nace con la idea de ir narrando el día a día de la asignatura optativa Diseño de Radiorreceptores, que he escogido para finalizar la carrera de Ingeniería Electrónica que actualmente curso en la UPC. Esta asignatura tiene para mi un significado especial, no sólo porque es la última y ya se acerca el día en que acabe la carrera, sino también porque supone volver a los motivos por los que me introduje en el mundillo de la electrónica y las comunicaciones.

Mi primer contacto con la electrónica fue cuando me regalaron un soldador y un Sales-Kit: una caja roja y negra que contenía una bolsita de componentes, una PCB y unas pocas hojas escritas. ¡Se trataba de una radio-espía! Vamos, una emisora de FM de muy corto alcance. Lo sorprendente del tema, fue que pese a mi inexperiencia en la materia y en el manejo del soldador ¡conseguí montarlo! ¡y además funcionaba y todo!

Esa primera experiencia y otras que siguieron me llevaron a estudiar FP Electrónica y más tarde Ingeniería Técnica de Telecomunicaciones. Luego empecé a trabajar y como me seguía picando la curiosidad me apunté a Ingeniería Electrónica con la idea de ir cursando las asignaturas poco a poco y aprender cosas nuevas.

Pues bien, después de todo este tiempo estudiando y más de diez años trabajando con microprocesadores,  DSP’s y FPGA’s de todo tipo, aquella plaquita que monté con mi primer soldador y que era capaz de enviar mi voz hasta un aparato de radio sin utilizar ni un solo microchip y ni una sola línea de código, todavía encierra secretos para mí.

En resumidas cuentas que cuando leí el temario de Diseño de Radioreceptores, pensé que ésta era una buena oportunidad para arrojar algo de luz sobre el asunto y me matriculé de lleno.

Pues bien, llegó el momento de remangarse, afilar bien el lápiz y ponerse manos a la obra.