RECEPTOR SUPERHETERODINO.
Los dos requisitos principales de cualquier receptor de comunicaciones son que tengan la capacidad para seleccionar la frecuencia de entrada adecuada entre varias frecuencias que llegan a la antena. Además debe de ofrecer una amplificación de la señal para poder obtener una señal adecuada para la detección de la frecuencia modulada.
Estas dos características principales de todo receptor se hace llamar Selectividad y Sensibilidad.
Selectividad.Es la capacidad que tiene un receptor para seleccionar la señal de una frecuencia deseada mientras que rechaza las señales que están en las frecuencias adyacentes próximas.
La selectividad de un receptor se obtiene mediante circuitos sintonizados formados por componentes L-C que se disponen que entren en resonancia en la frecuencia de la señal deseada.
La Q de estos circuitos Q = XL ÷ R, determina la selectividad. Y el ancho de banda también es una medida de la selectividad.
El ancho de banda determina la frecuencia de corte superior de la señal (f2) y la frecuencia de corte inferior (f1), que se localiza en 3dB abajo, o 0,707 puntos en la selectividad de la figura siguiente.
Este ancho de banda BW, lo determina el valor de la frecuencia de resonancia f0, y la Q, de acuerdo con la relación:
BW = f0 ÷ Q
Cuanto más alto sea Q, más reducido será el ancho de banda y la selectividad será mejor. Los circuitos sintonizados con Q alta se usan para mantener acortado el ancho de banda a fin de que solo deje pasar la señal adecuada.
Ejercicio Resuelto.Suponga un inductor de 10µH con una resistencia de 20Ω que se conecta en paralelo con un condensador variable de 101,4 pF. El circuito entra en resonancia en:
F0 = 1 ÷ 2π√LC =
1 ÷ 6,28 √(10 x 10-6)(101,4 x 10-12) =
5 MHz.
Mostrando una curva de respuesta como la que se muestra en el gráfico anterior.
La Q del inductor y el circuito es:
Q = XL ÷ R =
XL = 2πfL = 6,28 x 5MHz x (10 x 10-6) = 314Ω
Q = 314Ω ÷ 20Ω = 15,7
Con lo que ahora podemos calcular el ancho de banda:
BW = f0 ÷ Q =
5MHz ÷ 15,7 =
318.471,3 Hz = 318,5 KHz
Este ancho de banda esta centrado en los 5MHz, y cada mitad del mismo se localiza a cada lado de los 5MHz. Las frecuencias de corte superior e inferior son la mitad (aproximadamente), del ancho de banda:
318,5 KHz ÷ 2 = 159 KHz o 0,159 MHz
La frecuencia superior de corte (fsc = f2):
f2 = 5 MHz + 0,159 MHz = 5,159 MHz
La frecuencia inferior de corte (fic = f1):
f1 = 5 MHz - 0,159 MHz = 4,841 MHz
La diferencias entre las frecuencia superior de corte y la frecuencia inferior de corte nos da el ancho de banda BW de nuevo:
BW = f2 - f1
5,159 MHz - 4,891 MHz
0,318471 MHz o 318,5 KHz
En este caso para mejorar la selectividad se debe de reducir el ancho de banda BW. Supón que queremos un ancho de banda de 40 KHz. Con esta información podemos calcular Q:
Q = f0 ÷ BW
5 MHz ÷ 0,40 MHz =
125
Para incrementar la Q, se debe de reducir la reactancia inductiva del inductor. Una forma es utilizar un alambre más grande o también podríamos dejar el valor de la inductancia y cambiar el valor del condensador. Imagina que mantenemos el valor de los 10 µH con un alambre más grueso. Como Q = XL ÷ RL, entonces la resistencia es:
R = XL ÷ Q =
314 ÷ 125 =
2512 Ω.
Aunque puedan obtenerse circuitos con una Q muy alta, debe de considerarse que el ancho de banda del receptor no solo deje pasar la portadora sino las frecuencias laterales que son las que tienen la información a transmitir. Se puede hacer un circuito sintonizado bastante selectivo que eliminen en gran medida las bandas laterales de las frecuencias superiores, pero esto haría que se distorsionara la información transmitida.
Por lo tanto como puedes entender, el ancho de banda debe de ajustarse para que permita el paso de todas las componentes de la señal.
La curva de selectividad ideal se muestra a continuación.
En la gráfica de la izquierda se muestra una representación ideal de la selectividad. Por desgracia esta figura no puede obtenerse en selectividad.
En la figura de la derecha se muestra una distorsión de la curva ideal propia de la selectividad que presenta una atenuación gradual a ambos lados de la frecuencia central y que se denomina faldas. El objetivo es obtener faldas más pronunciadas y en consecuencia obtener mejor selectividad.
Para conseguir una mejor selectividad se recurre a conexiones de los circuitos selectivos en cascada o mediante filtros a cristal o mecánicos (ambos métodos son muy comunes en la recepción de comunicaciones).
La medida de las faldas en un receptor se llama factor de forma que es el cociente del ancho de banda 60dB por debajo, y el ancho de banda de 6dB también por abajo de un circuito sintonizado o filtro.
El ancho de banda en los puntos de 60dB abajo, designan las frecuencias de f4 - f3 (laterales de la falda), mientras que el ancho de banda debajo de los 6dB designan las frecuencias f1 - f2.
El factor de forma viene dado por la formula:
(f4 - f3) ÷ (f2 - f1)
De forma que, imagina que el ancho de banda a 60dB es de 12 KHz, y que su valor a 6dB se ha reducido a 3 KHz. Entonces:
Factor de forma = 12 ÷ 3 = 4 ó 4:1
Mientras menor sea el factor de forma, mayor será la selectividad de falda.
Sensibilidad.
La sensibilidad de un receptor es la capacidad para captar señales débiles.
La sensibilidad es una función principal de la ganancia total del receptor. La ganancia es, desde luego el factor por el que se multiplica una señal de entrada para producir una señal de salida. En general cuanto mayor sea la ganancia de un receptor, más pequeña será la señal de entrada necesaria para producir el nivel de salida deseado.
En los receptores se obtiene un nivel de salida alto gracias a multiples etapas de amplificación.
La sensibilidad suele expresarse mediante como el valor mínimo de voltaje de la señal de entrada que producirá una señal de salida que exceda en 10dB al ruido de fondo del receptor, aunque algunas especificaciones establecen una relación señal - ruido de 20dB.
Por ejemplo, una cifra que podría especificar la sensibilidad de un receptor podría ser la de 1µV. Cuanto menor sea esta cifra, mejor será la sensibilidad.
Un receptor convencional (de los que tienes en casa), suelen tener una sensibilidad de 5µV a 10µV para receptores de FM y para uno de AM podría ser de 100µV ó más. Los equipos de HI -FI pueden llegar a tener una sensibilidad de 0,2µV a 1µV.
En un receptor superheterodino se debe de tener en cuenta la selectividad y la sensibilidad e intentar mejorar dichas propiedades. Son los más utilizados en la actualidad ya que permiten manipular el ancho de banda necesario para recibir señales sonoras, o señales digitales.
Selección de FI e imágenes.
La elección de la frecuencia intermedia (FI) suele ser un compromiso de diseño, cuyo objetivo principal es obtener buena selectividad. A frecuencias bajas, se obtiene mejor selectividad de banda angosta, en particular cuando se utiliza circuitos sintonizados L - C convencionales.
Una FI típica es de 455 KHz, valor estándar para los receptores de AM. También se han utilizado FI bajas como los 50 KHz para obtener ancho de bandas muy reducidos.
La ventaja de usar una FI baja es que el diseño no es solo sencillo sino también menos problemático. En las frecuencias bajas, los circuitos serán más estables con ganacia alta. Para frecuencias altas, el diseño del circuito se complica así como las capacidades residuales lo que implica mayor blindaje. Con ganancia alta deben de evitarse fases de realimentación producida por la alta frecuencia, sin embargo a frecuencias más bajas, no es un problema la realimentación.
Imagenes.En el tema anterior has visto el proceso de heterodinaje por el cual la señal del receptor se mezcla con una señal interna para obtener una señal más baja que la de la antena. Esto puede acarrear un problema cuando seleccionamos FI bajas que reciban de la antena frecuencias muy altas. Se trata del problema de las imagenes.
La imagen es una señal de radiofrecuencia separada de la señal de llegada que se desea, por una frecuencia que es dos veces la FI por arriba o por abajo de la frecuencia de llegada.
Si la frecuencia de resonancia del oscilador local está arriba o abajo de la frecuencia de la señal ocurrirá una de esas imagenes.
Ten en cuenta que un mezclador superheterodino produce las frecuencias suma y diferencia de la señal de llegada y la señal del oscilador local. En general la frecuencia diferencia se elige como FI, y por lo común, la frecuencia del oscilador local se elige de modo que exceda la señal de llegada en una cantidad igual a FI.
Sin embargo podría hacerse que la frecuencia del oscilador local fuese más baja que la señal de llegada, en la misma cantidad.
Cualquiera de estas funciones producirá la frecuencia diferencia deseada.
Imagina que un oscilador local es más alto que la señal de entrada a la antena. ¿Qué ocurre si a la entrada del mezclador aparece una señal imagen (fi = fs + 2fFI)?
Pues que el mezclador desarrollará las frecuencias suma y diferencia independientemente de las entradas. Por lo tanto, la salida del mezclador será de nuevo la frecuencia diferencia al valor de FI.
Considere una señal deseada fs de 90 MHz y una frecuencia del oscilador local de 100 MHz. La FI es la diferencia 100 - 90 = 10 MHz. La frecuencia imagen:
fi = fs + 2fFI =
90 + 2(10) = 90 + 20 =
110 MHz.
Si la imagen aparece a la entrada del mezclador, la salida será la diferencia (110 MHz - 100 MHz = 10 MHz). Por tanto, el amplificador de FI la pasaría, ya que es el valor de la misma.
El problema reside en que una señal deseada que esté separada dos veces la FI puede ser captada también por el receptor produciendo interferencias con la señal deseada (que pasaría cuando el valor de la FI no coincide con la suma diferencia de la salida del mezclador de la señal de entrada con la del oscilador local).
Por eso las frecuencias imagenes son un problema en los receptores superheterodinos y para evitarlo se realiza un cálculo preciso de la FI.
La razón de la interferencia se debe a que la señal imagen aparece a la entrada del mezclador.Y esto se debe al uso de circuitos sintonizados con una Q alta antes del mezclador o de un amplificador RF selectivo.
Si la selectividad de los circuitos sintonizadores o amplificadores RF es buena, la imagen será rechazada, pero muchos receptores tienen amplificadores de RF que permiten el paso de un intervalo alto de frecuencias, lo que convierte a la selectividad en el problema.
Imagina que el receptor se diseña para captar una señal de 20 MHz. La FI es de 500 KHz. La frecuencia del oscilador local se ajusta a una frecuencia por encima de la de entrada de señal igual a la de FI (20,5 MHz).
Cuando se mezclan las frecuencias del oscilador local y de la señal, la diferencia es el valor deseado de 500 KHz.
La frecuencia imagen se calcula:
fi = fs + 2fFI =
20 + 2(0,5) =
21 MHz
La frecuencia imagen de 21 MHz producirá interferencia con la señal deseada de 20 MHz, a menos de que sea rechazada.
Ahora supón un circuito sintonizado antes del mezclador con una Q de 10. Teniendo la frecuencia de resonancia, podemos calcular el ancho de banda mediante la expresión:
BW = fo / Q
En donde fo es la frecuencia de resonancia del circuito resonante.
En nuestro ejemplo, el ancho de banda viene dado por:
BW = 20 / 10 = 2 MHz.
El ancho de banda (figura anterior) está centrado en torno a la señal de entrada de 20 MHz, por lo que las frecuencias superiores e inferiores serán de 19 y 21 MHz respectivamente.
Recuerda que el ancho de banda se mide en 3 dB por debajo de la curva de respuesta del circuito sintonizado.
Dado que la frecuencia de corte superior (f2) es igual a la frecuencia imagen, esto significa que el circuito sintonizado dejaría pasar la frecuencia imagen produciendo interferencias.
La conexión en cascada de circuitos resonantes y una mayor Q pueden resolver dicho problema. Pero es mejor resolver cambiar la FI y elegir una más alta.
Para el mismo ejemplo, supón una FI de 5 MHz.
fi = fs + 2fFI =
20 + 2(5) =
30 MHz
Una señal a esta frecuencia interferiría con nuestra señal a 20 MHz si se dejara pasar al mezclador, pero como puede verse, 30 MHz está muy por encima de nuestro circuito sintonizado. La selectividad, aunque sea deficiente, basta para rechazar la frecuencia imagen.
Pero claro, cambiar la FI también complica el sistema. Se suele hacer una FI lo más alta posible para reducir el problema de la frecuencia de imagen, pero también se suele hacer lo más baja posible para simplificar el diseño.
En la mayoría de los receptores la FI varía en proporción de las frecuencias que se deben de cubrir. A bajas frecuencias se usan valores bajos de FI.
En la banda AM es frecuente la frecuencia patrón de 455 KHz. A frecuencias altas, puede llegar hasta casi los 30 MHz. En FM se estandaríza en 10,7 MHz. En televisión es común de 40 a 50 MHz. Para las comunicaciones vía satélite suelen utilizarse frecuencias intermedias de 70 a 140 MHz.
Doble conversión.
Es otra manera de conseguir una selectividad adecuada y evitar la frecuencia imagen.
La doble conversión consiste en usar un receptor superheterodino de doble conversión. En la fotografía siguiente se puede ver el esquema de bloques de dicho receptor.
Como utiliza dos mezcladores y dos osciladores locales, tendrá dos FI.
El primer mezclador convierte la señal de llegada a una FI más o menos alta a fin de eliminar las frecuencias imágenes. Después el segundo mezclador hace la conversión de esa FI a una frecuencia mucho más baja, en la que es más fácil obtener una buena selectividad.
Ambos mezcladores producen la frecuencia diferencia.
Observa que el primer oscilador local es variable proporcionando sintonía para la recepción. El segundo oscilador local es de frecuencia fija. Como se debe convertir una FI fija a un FI más baja, no hace falta que éste oscilador sea variable (por norma general se fijará la frecuencia de oscilación mediante un cristal).
Es habitual en receptores de doble conversión que el primer FI tenga una frecuencia más baja que las señales recibidas. La segunda FI todavía es más baja.
