Receptor de Radio FM

 

Autor: Ing. Ricardo F. Sánchez

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El Receptor (continuación)  Las radiofuentes típicas pueden considerarse objetos puntuales, sobre todo frente a las antenas que puede construir un aficionado. De acuerdo al área efectiva de la antena que conectemos, en sus terminales (que ingresan al receptor) tendremos una  potencia dada por: P= S.Aef  .B

en donde S= potencia de la radiofuente ef A la antena B = =área anchoefectiva de bandadeque recibimos

El valor de S es el que aparece en las tablas de objetos radioastronómicos, expresada en Janskys (Jy). ¿Por que usar el Jansky en lugar del Watt?. Porque la potencia que nos llega es tan baja que usar el Watt se hace demasiado incómodo. Por ejemplo, a la frecuencia de 600 MHz el valor de S para el centro de nuestra galaxia es de 1255 Jy. La fuente Casiopea A, remanente de una supernova tiene S= 4756 Jy, Centaurus A (NGC5128), la galaxia peculiar que según se cree es la colisión de dos galaxias brilla con S= 2211 Jy. ¿Qué es el Jansky entonces? Es la unidad unid ad de flujo utilizada en radioastronomía que equivale a 10-26 Watts . (¡¡¡¡¡¡¡¡ (¡¡¡¡¡¡¡¡ 0.00000000000000000000000001 Watts !!!!!!!!). !!!!!!!!). 2 2 m . Hz m . Hz Esto nos dice que la señal recibida por la antena debe amplificarse millones de veces para llevarla a un nivel suficiente como para graficarla o guardarla en una computadora. Como mencioné anteriormente, el ruido térmico de los circuitos electrónicos es el principal enemigo en la recepción de señales tan débiles. Como este tipo de ruido por su origen es proporcional a la temperatura, en los receptores del tipo profesional se hace trabajar a las primeras etapas a temperaturas criogénicas, criogénicas, mediante nitrógeno líquido por ejemplo, logrando temperaturas del orden de unas pocas decenas de grados Kelvin. El motivo por el cual se enfrían las primeras etapas solamente es que ellas trabajan con las señales mas débiles, y si fueran muy ruidosas harían imposible discriminar la señal del ruido, aunque esto lo aclararé un poco mas adelante. Análisis de las etapas:

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 El preamplificador de bajo ruido (LNA)

El LNA (Low Noise Amplifier) consta de varias etapas transistorizadas que refuerzan la señal recibida por la antena elevando su nivel y dejando la frecuencia intacta. Posee un ancho de banda B amplio, ya que debe funcionar sin variar sus características en toda la gama de frecuencias del receptor.

 El conjunto Mezclador – Oscilador Local

Como se expresó anteriormente, el receptor que estudiaremos se denomina superheterodino denomina superheterodino,, y es el que nos permite trabajar en un rango amplio de frecuencias variando solamente la frecuencia de trabajo del oscilador local, generalmente de frecuencia superior a la de la señal, y de amplitud constante. En el mezclador se combinan las señales del LNA y del oscilador, haciendo el producto entre ambas. Al realizar el producto de dos señales cosenoidales, tenemos como resultado un batido de frecuencias, como se demuestra a continuación: Si expresamos a la señal que ingresa al LNA como: v i= V.cos(2.π   .f  fs .t) y a la del oscilador como: vOL= VOL.[1 + cos(2.π.    f  fO   L.t)], con una ganancia del LNA de valor v alor A tendremos: OL A. vOL. vs= A. V.[1 + cos(2.π.    f  fO   L.t)]. VOL.cos(2.π   .f  fs .t) OL De trigonometría, se sabe que el producto de dos d os cosenos es igual a la suma de dos funciones cosenoidales de la siguiente forma: A. V. VOL.cos(2.π.    f  fO   L.t) + A.V. VOL. cos[2.π.       f   f OL.     f  fs  ).t] + A.V. VOL. cos[2.π.       f   f O      L.f  .f s ).t] OL OL. OL 2 2

Así obtenemos tres componentes en el espectro: una de frecuencia igual a la del oscilador local, otra de la suma entre las frecuencias del oscilador con la señal, y otra con la diferencia.

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Si filtramos la señal a la salida del mezclador de manera de obtener solamente la frecuencia diferencia constante   tendremos:

vsalida= A.V. VOL. cos[2.    π    f   f OL.   f  fs  ).t] O    L. 2 ¿Cuál es la ventaja de todof esto?. Si la frecuencia dedifer salida delfrecuencias mezclador es (llamada frecuencia intermedia o FI), cambiando solamente entes de constante entrada. Adem Además, ás, las etapas posteriores O OL L podemos seleccionar diferentes trabajarán en una frecuencia única, lo que simplifica el diseño y el funcionamiento de las mismas. Pongamos un ejemplo: si mi FI= 137 MHz y puedo cambiar la frecuencia del oscilador local entre 1400 y 1600 MHz, ¿qué rango de frecuencias puedo recibir?. Respuesta: FI= f O OL L - f s 137 MHz = 1400 MHz - f s => f s mínima= 1263 MHz 137 MHz = 1600 MHz - f s => f s máxima= 1463 MHz

Este es el rango de frecuencias que podemos recibir. Los receptores superheterodinos son de lo mas común hoy, la radio o la TV funcionan así. Al cambiar la frecuencia del receptor de radio o el canal del TV, estamos modificando la frecuencia del respectivo oscilador local, y sintonizando distintas frecuencias en la antena. Pero ¡a no asustarse!. Por suerte no tenemos que preocuparnos por todo este embrollo. En la actualidad, y sobre todo t odo gracias a la difusión de los receptores satelitales y a la miniaturización electrónica, el LNA, el mezclador y el oscilador local se consiguen en forma comercial comercial y a bajo costo como un solo módulo o bloque, llamado LNB (Low Noise Block) o Downconverter. Basta con conectar el cable de antena en la entrada, activar el oscilador, y tendremos señal a la salida. Observen que la FI es de un valor bastante bajo en general, y como dije anteriormente, las exigencias de el resto de las etapas es mínimo. El caso de un LNB comercial puede ser:

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 La etapa de FI

Simplemente eleva el nivel de la señal que sale del LNB. Su ganancia es de varios miles de veces, pudiendo alcanzar el millón. La salida del LNB trabaja a una frecuencia bastante baja, que es técnicamente fácil de manejar. Las mas conocidas son 137 MHz (que corresponde a la que utilizan los receptores de satélites meterológicos polares), 70 Mhz (utilizada en muchos receptores de TV satelital) y 44 MHz (la de los receptores de TV hogareños). Con esto quiero decir que si poseemos alguno de estos receptores en desuso, y con el LNB adecuado tendremos una gran  parte del receptor del radiotelescopio radiotelescopio terminado. A partir de aquí abandonamos el mundo de la radiofrecuencia y veremos la forma de extraer la información que queremos estudiar.

 El detector de señales.

Como vimos anteriormente, la señal que nos llega modula a la portadora, por lo que en la FI tendremos una onda senoidal con una frecuencia mas o menos alta y cuya amplitud varía según lo hace la información. Para conseguir esta última se produce la detección, es decir, se recorta la señal de FI de forma de obtener los semiciclos  positivos (o negativos) y se la filtra para obtener ssolamente olamente la información. información. Esto se logra promediando el valor de los picos de estos semiciclos mediante un sencillo circuito (una resistencia y un capacitor) que responde lentamente a las variaciones rápidas de la señal de entrada. A este proceso se lo denomina integración, y con él obtenemos la información que estábamos buscando. El tipo de detector mas adecuado se denomina cuadrático, y entrega un valor de tensión que es proporcional a la potencia de entrada.

 El amplificador de bajas frecuencias. 

La señal a la salida del detector es de bajo nivel, insuficiente para excitar un graficador o un conversor analógico-digital (que nos permitiría introducirla en una computadora personal). Una función de esta etapa es la de elevar la amplitud al nivel adecuado, la otra es la de llevar a cabo distintos valores de integración (suavizado de la señal), que se pueden seleccionar con un llave en distintos pasos y que va desde unos pocos milisegundos a varios segundos. ¿Para que se hace esto?. Depende del fenómeno que queremos observar. Si vamos a detectar un púlsar que gira varias veces por segundo, usaremos una integración mínima  para poder observar esas variaciones rápidas, rápidas, pero si lo que haremos haremos es mapear las suaves suaves variaciones de las nubes de gas en nuestra galaxia es mejor utilizar una alta, sobre todo porque como la integración es un promedio, eliminaremos buena  parte del ruido generado externamente externamente o en el propio equipo. equipo. Para finalizar y aclarar las dudas que pudieran quedar, en los siguientes gráficos se pueden ver las señales a la entrada y salida de cada bloque, tanto en función del tiempo como de la frecuencia.

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