Algunos desarrollos recientes en el arte de la tecnología de los receptores: Una historia seleccionada de las innovaciones de los receptores en los últimos 100 años

Parte 1: Los primeros días

Aunque muchas personas contribuyeron a los inicios de la tecnología inalámbrica, Guglielmo Marconi es uno de los más conocidos. Aunque se le conoce por su tecnología inalámbrica, mucha gente está menos familiarizada con la empresa que creó en torno a la tecnología inalámbrica a finales del siglo XIXth siglo. Durante unos 20 años después de los primeros años del siglo XX, construyó un negocio vital que lanzó el mundo de la tecnología inalámbrica a lo que tenemos hoy.

Figura 1: Marconi demostrando su tecnología.

Aunque su tecnología comercializada no era la más moderna, era lo suficientemente buena a pesar de los rápidos cambios tecnológicos, porque supo utilizar la tecnología de que disponía para hacer posible una nueva industria. Marconi se propuso desplegar una red global capaz de enviar y retransmitir mensajes inalámbricos en una época en la que el mundo estaba agitado tras el fin del colonialismo y las guerras y catástrofes de principios del siglo XX, como el hundimiento del RMS Titanic en abril de 1912. El papel que desempeñó la tecnología inalámbrica tanto en el rescate de los supervivientes como en la difusión de la noticia de este accidente reforzó la importancia de esta tecnología emergente. La importancia de la tecnología inalámbrica no pasó desapercibida ni para el público ni para los militares, incluido Joseph Daniels, que más tarde se convertiría en el Secretario de la Marina de EEUU. En EEUU y en otros países, líderes como Daniels creían que los militares debían nacionalizar la radio para asegurarse de que estuviera a su disposición en tiempos de guerra. Hay que tener en cuenta que en aquella época el único espectro utilizable estaba por debajo de unos 200 kHz. Al menos durante un tiempo, las cosas avanzaron en esa dirección, pero después de la Primera Guerra Mundial, el control gubernamental sobre la radio se debilitó, pero no antes de la formación del monopolio sancionado por el gobierno que creó la Radio Corporation of America (RCA).1

Según nuestras expectativas, las radios de la época de Marconi eran bastante primitivas. Los transmisores utilizaban dispositivos de chispa (sólo más tarde utilizaron alternadores mecánicos) para generar la RF, pero en el extremo receptor los sistemas eran totalmente pasivos y consistían en una antena, un sintonizador LC resonante y algún tipo de detector. Estos detectores se discutirán en breve, pero eran mecánicos, químicos u orgánicos. Algunos de estos sistemas utilizaban una batería simplemente para polarizarlos, pero no para proporcionar la ganancia del circuito tal y como la reconocemos hoy. La salida de estos sistemas se suministraba a una especie de auricular para convertir la señal en audio, que siempre era muy débil y, en el mejor de los casos, un simple clic o zumbido.

Como estos sistemas no ofrecían ninguna ganancia en el extremo receptor, el alcance venía determinado por la cantidad de potencia transmitida, la calidad del receptor, la experiencia del operador en la puesta a punto y, por supuesto, las condiciones atmosféricas. Lo que Marconi comprendió fue que, con un alcance razonablemente predecible, era posible construir una red de estaciones que pudieran utilizarse para comunicar información de forma fiable a través de continentes y océanos. Esto incluía instalaciones tanto en tierra como en el mar. Marconi comenzó a instalar sus estaciones inalámbricas en todo el mundo y en el mar, tanto en barcos de pasajeros como en cargueros. Al instalar los sistemas en los buques de navegación marítima, no sólo les permitía comunicarse con sus intereses comerciales en tierra, sino que también permitía a Marconi colmar las lagunas críticas de su red, proporcionando relevo y redundancia donde fuera necesario

Una de las tecnologías que poseía Marconi era la de los primeros tubos de vacío. John Ambrose Fleming, el reconocido inventor del tubo de vacío, trabajaba para la Marconi Corporation, pero el análisis de Fleming y Marconi en aquel momento era que su tecnología existente era suficiente para detectar las señales de radio. Además, consideraron que el beneficio de su descubrimiento no merecía el gasto extra ni las pilas para hacer funcionar los tubos de las válvulas. Marconi ya disponía de varias tecnologías que podían detectar una señal y no requerían la alta potencia para hacer funcionar el filamento y la placa que necesita un tubo. Así que dejaron de lado esa tecnología inicialmente.

Figura 2
Figura 2. Los primeros prototipos de la válvula Fleming.

Sin embargo, el llamado Padre de la Radio, Lee de Forest, tomó esta tecnología y se dio cuenta de su potencial. Insertando una rejilla entre el filamento y la placa, no sólo podía rectificar una señal, sino también controlar la cantidad de corriente en la placa. Esto permitió la amplificación. Aunque hay pruebas de que no entendía cómo funcionaba su tubo Audion, se dio cuenta del potencial e hizo todo lo posible para capitalizar su invento como tecnología y como servicio de valor añadido, similar al creado por Marconi. A través de varias empresas comerciales, de Forest intentó tanto fabricar y vender sus tubos de vacío como establecer redes inalámbricas como las de Marconi, pero estas empresas estaban condenadas al fracaso. Sin embargo, estas empresas estaban condenadas al fracaso, no por una mala tecnología, sino porque los socios comerciales de de Forest eran a menudo poco honestos, y a menudo le dejaban solo para responder de las malas acciones de los demás. Al final, de Forest tuvo que vender los derechos de su propio invento para que otros pudieran beneficiarse de sus capacidades.

Figura 3
Figura 3. El primer tubo triodo de audio de Forest.

Uno de los que comprendió pronto las posibilidades del tubo de vacío fue Edwin Armstrong. Cuando aún estaba en el instituto, un amigo de la familia le dio uno de los tubos de Forest para que jugara con él. Armstrong ya se había labrado una reputación de experto en radio y, habiendo construido su propia emisora en la casa familiar, pronto comprendió cómo utilizar el aparato para desarrollar un mejor receptor. Durante sus estudios continuó desarrollando la tecnología y creó el receptor regenerativo, que funcionaba mejor que los sistemas pasivos utilizados por todas las estaciones inalámbricas de la época.

David Sarnoff fue una figura importante de la empresa estadounidense Marconi Corporation. Su ascenso dentro de la empresa fue el resultado directo de una larga relación cultivada con el propio Marconi y de una ética de trabajo dedicada. Sarnoff comenzó su carrera como recadero de la AMC y conoció a Marconi por casualidad durante una de sus visitas a América. Sarnoff impresionó tanto a Marconi que le permitió ascender en las filas de la empresa. Sarnoff acabó asumiendo la dirección de la AMC y, posteriormente, de la RCA. Mientras visitaba los laboratorios de ingeniería en Nueva York, conoció por casualidad a Armstrong. Los conocimientos de Armstrong sobre la tecnología inalámbrica y las capacidades de su receptor regenerativo ayudaron a forjar una relación profesional y personal a largo plazo entre ambos

Cuando llegó la Primera Guerra Mundial, Armstrong sintió la llamada del deber y se alistó. Sin embargo, para entonces se había ganado una reputación como experto en radio y, en lugar de ser asignado a tareas de combate, se le asignó la función de inspeccionar e instalar radios para los servicios de combate en toda Francia. Sus funciones le daban acceso a equipos y laboratorios, así como a diversas tecnologías que le permitían proseguir sus actividades de investigación de forma paralela. Durante un ataque aéreo a principios de 1918, realizó una serie de descubrimientos que le llevaron a sintetizar el receptor superheterodino. A lo largo de 1918 desarrolló su concepto y en noviembre se reunió con un grupo de amigos cercanos para demostrar un prototipo de radio superheterodino. Quedaron impresionados y le animaron a continuar con sus desarrollos. A finales de 1918, la guerra había terminado y, antes de regresar a Estados Unidos, Armstrong registró una patente francesa el 30 de diciembre de 1918. A su regreso a EEUU, pasó algunas semanas recuperándose de una enfermedad que retrasó su solicitud de patente en EEUU. Finalmente, el 8 de febrero de 1919 presentó una patente estadounidense para el receptor superheterodino.

Mientras que la visión de Marconi sobre la tecnología inalámbrica se centraba únicamente en la información comercial transmitida por telegrafía entre dos partes, Sarnoff tenía una visión mucho más amplia: enviar una señal a muchas partes. Al principio, la visión de Sarnoff no era muy compartida, pero otros llegaron a comprender que esta nueva tecnología ofrecía una forma de transmitir fácilmente noticias y entretenimiento a grandes distancias, incluida la América rural. Para hacer realidad su visión, Sarnoff y su equipo pensaron en retransmitir el combate de boxeo entre Dempsey y Carpentier el 2 de julio de 1921. El éxito de esta emisión permitió que otros vieran el potencial de la radio tal y como la conocemos hoy.

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Sin embargo, el verdadero reto en ese momento era técnico. Las primeras radios eran difíciles de usar y no funcionaban muy bien. Aquí continúa la historia de Armstrong, Sarnoff y la Radio Corporation of America. Gracias a la relación desarrollada anteriormente y a las patentes que RCA había adquirido, incluida la del superheterodino, la tecnología de la radio se había simplificado lo suficiente como para hacerla portátil y fácil de usar para cualquiera. Desde el punto de vista tecnológico, la arquitectura superheterodina fue la clave de este éxito y esto sigue siendo en gran medida cierto hoy en día.

Figura 4
Figura 4: Edwin Armstrong y su esposa Marion en su luna de miel con la primera radio portátil.

Detectores

Una radio debe tener un medio para producir una salida que transmita información significativa. Al principio se trataba de una chispa simpática creada en la antena de bucle de recepción. Pronto se comprendió que era necesario un medio más sensible para convertir la energía radiada en una señal significativa. Las primeras tecnologías eran bastante limitadas y a menudo utilizaban una amplia gama de propiedades, incluyendo las químicas, mecánicas y eléctricas

En los primeros tiempos, uno de los primeros detectores utilizados se llamaba detector de coherencia y se basaba en los descubrimientos de un francés llamado Edouard Branly. El coheredero consistía en dos placas metálicas muy próximas entre sí con un suministro de limaduras metálicas. Cuando la señal de radiofrecuencia se presentaba en las placas, las limaduras metálicas se adherían a ellas, cerrando un circuito eléctrico. Esto funcionaba muy bien para la detección, pero una vez retirada la señal de radiofrecuencia, las limaduras tendían a quedarse adheridas a las placas. Para resolver este problema, se dispuso una especie de golpeador que golpeaba el lateral del aparato para forzar el desprendimiento de las limaduras. Este detector rudimentario era eficaz, pero su uso y funcionamiento eran engorrosos. A pesar de ello, se utilizó hasta 1907.

Figura 5
Figura 5. Dispositivo coherente.
Figura 6
Figura 6. Esquema del receptor Coherer.2

Una solución más práctica era el detector electrolítico. Este dispositivo consistía en un hilo de platino muy fino sumergido en una solución de ácido sulfúrico o nítrico. Se utilizó una pila para polarizar este circuito justo en el punto de electrólisis. Esto formó burbujas de gas en la superficie del hilo de platino, lo que hizo que la corriente disminuyera. Si se acoplara una corriente de radiofrecuencia a este circuito, se modularía la electrólisis y variaría la corriente según la intensidad de la señal de radiofrecuencia acoplada. Esta técnica fue desarrollada por Fessenden y fue de uso común desde 1903 hasta 1913. Una variación de esta técnica desarrollada por de Forest fue la encuestadoque consistía en dos placas metálicas sumergidas en una solución de peróxido de plomo.

Figura 7
Figura 7. Detector electrolítico.
Figura 8
Figura 8. Receptor de radio electrolítico.

Marconi prefirió otro enfoque llamado detector magnético. Estos dispositivos se llamaban cariñosamente Maggie por sus usuarios. Funcionaban creando un bucle sin fin de alambre de acero que se magnetizaba con imanes permanentes mientras se giraba de forma circular. Esta parte magnetizada del cable se hizo pasar por un bucle de cable conectado a una antena. El campo de radiofrecuencia de esta bobina desmagnetiza el cable según el nivel de la señal recibida presente. Los cambios en el campo magnético del cable eran captados por otra bobina conectada a un auricular que proporcionaba una versión audible de la señal de radiofrecuencia. Este método fue utilizado por todas las instalaciones de Marconi hasta 1912, incluido el RMS Titanic.

Figura 9
Figura 9. Detector magnético como lo habría utilizado Marconi.3
Figura 10
Figura 10. Esquema de un radio detector magnético.

Otro tipo de detector común era el de cristal, que siguió siendo popular hasta aproximadamente 1925. Este tipo de dispositivo popular se llamaba a menudo bigote de gato y era esencialmente una primera unión semiconductora fabricada a partir de varios tipos de minerales. Los minerales típicos eran la galena (PbS), la pirita de hierro (FeS2), la molibdenita (MoS2), y carborundo (SiC). Se dieron forma a pequeñas muestras de estas rocas en un vaso metálico con un alambre fino haciendo un contacto puntual en la roca. Este contacto podría moverse y colocarse en diferentes lugares de la roca en busca del mejor funcionamiento. Las radios de cristal siguen existiendo hoy en día; el circuito es idéntico al de hace 100 años, salvo que un diodo semiconductor fabricado sustituye al bigote de gato. Una de las ventajas de los detectores de cristal es que proporcionan una detección más lineal, lo que se hizo importante cuando comenzó la radiodifusión en AM. Esto hizo posible la comunicación por voz, mientras que las transmisiones anteriores sólo se enviaban por código Morse.

Figura 11
Figura 11. Detector de bigotes de gato de galena.
Figura 12
Figura 12. Esquema típico de una radio de cristal.4

Otro tipo de detector fue creado en 1904 por un ingeniero que trabajaba para Marconi. John Ambrose Fleming descubrió que al añadir una placa a una bombilla incandescente de Edison había creado un rectificador o válvula como se suele llamar. Marconi y Ambrose pensaron que su solución existente para la detección, normalmente un Maggiedescubrieron que la válvula Fleming era mejor que la ofrecida por la válvula Fleming y detuvieron temporalmente sus esfuerzos por encontrar una solución mejor hasta después de 1912. Sin embargo, otros, entre ellos De Forest, vieron el interés inmediato y retomaron el camino donde Fleming y Marconi lo habían dejado, añadiendo una rejilla entre el filamento y la placa. Esta obra fue patentada y publicada en 1906. Aunque de Forest se dio cuenta del valor de su invento para mejorar las radios, no pudo sacar provecho de él, en parte por las fechorías de su socio comercial y en parte por varios casos de violación de patentes.

Parte 2: Arquitecturas de receptores

Un punto clave que comprendieron los primeros pioneros de la radio, como de Forest y Armstrong, fue que sus éxitos estaban determinados por un detector fuerte y fiable; al principio éste era principalmente el operador de radio, cuyas habilidades técnicas y auditivas lo hacían posible. Sin embargo, a medida que la industria se desarrollaba, otros aspectos pasaron a ser importantes, como la linealidad y el ancho de banda

En 1912, para resolver estos problemas, de Forest descubrió la regeneración y cómo un receptor podía beneficiarse de esta técnica. Más o menos al mismo tiempo, Armstrong hizo descubrimientos similares y observó que si la energía se acoplaba desde el circuito de la placa al sintonizador de pantalla, se producía una amplificación significativa, ya que la respuesta del amplificador alcanzaba un pico antes de la oscilación libre. Estos descubrimientos desencadenaron una disputa de patentes que duró varias décadas, en la que cada inventor afirmaba que su invento era el primero

En cualquier caso, la principal ventaja del receptor regenerativo era que, además de los altísimos niveles de ganancia que se obtenían, permitía conectar la salida a un altavoz y no a unos pequeños auriculares con poca salida de audio, como ocurría antes. Armstrong observó que con esta disposición podía copiar fácilmente la instalación de Marconi en Irlanda desde su laboratorio de Nueva York, mientras que Marconi solía necesitar una estación de retransmisión para obtener cobertura transatlántica. Después de estar satisfecho con sus resultados, Armstrong invitó a Sarnoff a su laboratorio para compartir sus hallazgos. Con su configuración regenerativa, pasaron la noche haciendo DX y recibieron señales desde la Costa Oeste y hasta el Pacífico con facilidad. Esto supuso una importante mejora en la tecnología de los sensores. El mayor reto de los receptores regenerativos fue la configuración de la retroalimentación para su correcto funcionamiento; una tarea difícil incluso para un operador experimentado. Cuando los primeros modelos de radios regenerativas y superregenerativas entraron en producción, este reto se hizo evidente y tuvo que ser resuelto antes de que la tecnología de radio pudiera ser utilizada ampliamente

La Primera Guerra Mundial acabó arrastrando a Estados Unidos al compromiso y Armstrong fue destinado a Francia, donde se encargó de instalar la tecnología en el terreno. Esto le permitió continuar sus investigaciones y diseñó la arquitectura superheterodina en febrero de 1918, tras trabajar con colegas de Francia y Gran Bretaña. Al final, esta arquitectura resolvió muchos de los tediosos ajustes que requerían las arquitecturas anteriores, como el tipo de superregenerador, sin sacrificar el rendimiento.

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Armstrong continuó desarrollando la arquitectura superheterodina a lo largo de 1918, que resolvió muchos de los problemas de los receptores regenerativos y superregenerativos. Este desarrollo permitió la creación de radios fáciles de usar, al igual que las que se producen hoy en día. Aunque un receptor superheterodino no es estrictamente un detector, facilita una detección mejor y más consistente al incluir ganancia y selectividad adicionales, y al presentar una FI fija independientemente de la frecuencia de RF que se esté controlando. Esto permite optimizar el detector sin preocuparse por la degradación en función de la frecuencia de RF deseada, lo que supuso un gran reto para las primeras radios y sigue siendo un desafío para los diseñadores de radios en la actualidad, aunque a frecuencias mucho más altas, aunque seguimos explorando nuevas arquitecturas que incluyen la FI cero y el muestreo directo de RF.

Figura 13
Figura 13. Cifras de la patente Superheterodina.

Estas ventajas cimentaron la importancia de las arquitecturas heterodinas, y esto continúa en la actualidad. Aunque la tecnología de implementación ha pasado de los tubos a los transistores y a los circuitos integrados, la arquitectura sigue siendo la clave de muchos sistemas modernos.

Aparte de la evolución de los tipos de tecnología, las arquitecturas de radio cambiaron poco hasta los años 70, con la llegada de los DSP de propósito general y los FPGA. Las funciones de detección pasaron de los elementos de detección lineal, como los diodos, los discriminadores y los PLL, a los convertidores analógico-digitales y, después, al procesamiento digital de señales. Esto ha proporcionado muchas más capacidades que no eran posibles con las tecnologías anteriores. Aunque los convertidores de datos seguidos de un DSP pueden realizar, y de hecho lo hacen, funciones tradicionales de AM y FM, las funciones de detección no son las mismas5 demodulación, el uso de técnicas de procesamiento digital permite una demodulación digital compleja ampliamente utilizada para la televisión digital, la radio HD® en EEUU, y DAB en Europa y otras partes del mundo

En los primeros sistemas digitales, la etapa de FI se convertía normalmente en una señal de banda base mediante un demodulador I/Q y luego se digitalizaba mediante dos ADC de baja frecuencia, como se muestra en la figura 14. Estos primeros ADCs tenían un ancho de banda relativamente bajo, por lo que las radios solían ser sistemas de banda estrecha. Aunque estos sistemas eran utilizables para sistemas de bajo ancho de banda, sufrían desequilibrios de cuadratura que provocaban problemas de rechazo de la imagen que había que corregir mediante técnicas analógicas y posteriormente digitales. Como los primeros sistemas no estaban muy integrados, era difícil mantener el equilibrio entre I/Q, lo que provocaba errores de imagen (cuadratura). Esto se complicó por los cambios de tiempo y temperatura que había que tener muy en cuenta. Incluso en los sistemas altamente integrados, el equilibrio I/Q suele estar limitado a un rechazo de la imagen de 40 dB o peor sin algún tipo de algoritmo de corrección.

Figura 14
Figura 14. Muestreo de banda base de doble conversión.

A mediados de los 90, la tecnología de los convertidores empezó a mejorar lo suficiente como para poder sustituir el muestreo I/Q de banda base por el muestreo IF. Esto tenía varias ventajas. En primer lugar, se podría eliminar el par demodulador-convertidor de banda base y sustituirlo por un único ADC, ahorrando energía y espacio en la placa. Y lo que es más importante, se podrían eliminar los errores asociados a la extracción analógica I/Q. Por supuesto, seguían siendo necesarios datos complejos para el procesamiento DSP, pero éstos podían extraerse fácilmente de forma digital mediante convertidores digitales descendentes (DDC) como el AD6624, que proporcionan una cuadratura perfecta que no deriva con el tiempo ni la temperatura.

Al principio, estos convertidores de muestreo de FI eran de banda estrecha, pero a finales de la década de 1990 aparecieron convertidores de muestreo de FI de banda ancha, incluyendo dispositivos como el AD9042 y el AD6645. Estos nuevos dispositivos podrían muestrear frecuencias de FI de hasta 200 MHz y proporcionar un ancho de banda de señal de hasta 35 MHz. Esto resultó lo suficientemente atractivo como para que muchos receptores de alto rendimiento empezaran a adoptar el muestreo de FI para simplificar la radio y mejorar su rendimiento. Una de las muchas ventajas de esta técnica es que una sola ruta de señal del receptor puede manejar múltiples portadoras de RF.6 Esto ha tenido el efecto de permitir que una sola radio sustituya a muchas radios analógicas de banda estrecha y reduzca significativamente el coste de propiedad en muchas aplicaciones de telecomunicaciones. Cualquier aplicación que maneje múltiples señales de RF independientes (o dependientes) puede beneficiarse de este tipo de arquitectura, que reduce el coste, el tamaño y la complejidad. Las portadoras de radiofrecuencia individuales se clasifican fácilmente en el flujo de datos digitales, donde pueden procesarse de forma independiente según sea necesario. Cada señal podría ser modulada de forma diferente con información única o se podría ampliar el ancho de banda de la señal para aumentar la velocidad de datos. La tecnología de mezcladores integrados, incluidos el ADRF6612 y el ADRF6655, sigue avanzando en las radios heterodinas con muestreo de FI al proporcionar soluciones altamente integradas y de bajo coste cuando se combinan con los nuevos convertidores de muestreo de FI, como el AD9684 y el AD9694. Estos nuevos convertidores analógicos incluyen convertidores digitales descendentes (DDC) que no sólo filtran digitalmente el espectro innecesario, sino que también extraen digitalmente los componentes I/Q.

Figura 15
Figura 15. Arquitectura típica de muestreo de FI.

Lado a Lado: Antes y Ahora

La patente de Armstrong7 afirma que «es bien sabido que todos los detectores pierden rápidamente su sensibilidad a medida que disminuye la intensidad de la señal recibida, y que cuando la intensidad de la oscilación de alta frecuencia cae por debajo de un determinado punto, la respuesta de un detector se vuelve tan débil que es imposible recibir señales» Armstrong afirmaba que a medida que la amplitud disminuía o la frecuencia aumentaba, la sensibilidad del detector se reducía. Él y otros buscaron la manera de ampliar la utilidad de la radio a frecuencias más altas y mejorar el rendimiento general

Basándose en trabajos anteriores con tubos como el tubo Audion y la regeneración, Armstrong se dio cuenta de que podía convertir la frecuencia de entrada en una que funcionara más eficazmente con los detectores disponibles. Además, la ganancia podría aplicarse para aumentar no sólo el nivel de la señal de radiofrecuencia, sino también el nivel de la señal de audio proporcionada al usuario

Figura 16 muestra uno de los diagramas de la patente, que «ilustra en detalle el uso de [Armstrong’s] método que utiliza un sistema amplificador sintonizado en el que 21 es la fuente de las oscilaciones entrantes (señales), y un sistema rectificador de tubos de vacío 22-23-25 convierte las oscilaciones combinadas de las oscilaciones entrantes y las del heterodino separado 24 (oscilador local). El circuito 26-27 se sintoniza con la combinación convertida de las dos oscilaciones (producto mezclador deseado). Un amplificador multitubular de alta frecuencia 28 amplifica la energía heterodina resultante y la detecta el sistema de tubos de vacío 29 y la indican los teléfonos 30.»7 Con este método, Armstrong pudo tomar la energía de radiofrecuencia y desplazar la frecuencia a una que pudiera detectarse fácil y eficazmente, así como proporcionar la amplificación suficiente para un nivel de audio cómodo. En su patente, sigue demostrando que es posible aplicar múltiples etapas de heterodinación, lo que tiene la ventaja de proporcionar una selectividad adicional y niveles de ganancia más altos sin temor a que la retroalimentación incontrolada provoque oscilaciones, un problema que ha afectado a arquitecturas de radio anteriores, como el receptor regenerativo.

Figura 16
Figura 16. Esquema del superespacio de Armstrong.

Las siguientes figuras proporcionan una mejor comparación de la tecnología de tubos con una implementación contemporánea y muestran cómo los diseños modernos siguen siendo similares al diseño original propuesto hace 100 años.

Figura 17
Figura 17. El tubo en relación con el superhéroe contemporáneo.

La figura 17 muestra los dos circuitos colocados uno al lado del otro. La primera etapa de tubos, según la patente de Armstrong, consiste en un sistema rectificador de tubos de vacío. Esta primera etapa combina la mezcla de la señal deseada con el LO aprovechando las propiedades rectificadoras del tubo para producir los productos típicos de la mezcla. Armstrong sugirió 10 MHz (mostrados en la Figura 18) como RF porque estaba más allá de lo que los detectores de su época podían manejar y porque era un reto técnico para él durante el periodo en que estaba desarrollando el receptor superheterodino. Los receptores modernos suelen incluir al menos un amplificador de RF antes del mezclador para proporcionar un menor ruido y una mejor sensibilidad, como se muestra en la cadena de señal inferior. Estos dispositivos suelen ser diseños FET de muy bajo ruido, optimizados para el rango de frecuencias de funcionamiento. La única diferencia fundamental entre lo que patentó Armstrong originalmente y los diseños modernos es el amplificador de RF independiente colocado antes del mezclador. En la Segunda Guerra Mundial, era habitual encontrar diseños de válvulas con amplificadores frontales equivalentes a los actuales FET.

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Figura 18
Figura 18: (a) Extremo delantero del tubo, (b) extremo delantero.

Sugirió que esta señal de RF entrante podría combinarse con un LO de quizás 10,1 MHz para producir un nuevo tono a 0,1 MHz durante la primera etapa. Lo reconocemos como los productos suma y diferencia de un mezclador típico, como se muestra en la figura 19. En el esquema del tubo de la figura 18, el LO estaba acoplado directamente en el circuito de entrada, donde el comportamiento no lineal del tubo producía estos productos. Un reto que habría planteado este diseño original habría sido la radiación no intencionada del LO a través del acoplamiento directo a la antena. Los diseños contemporáneos son menos susceptibles a esta radiación, pero no completamente, porque, como se muestra en la Figura 19, el LO está acoplado a un mezclador aislado de la entrada por el amplificador frontal. Una mejora propuesta por Armstrong fue que el amplificador 1 también podía utilizarse como oscilador local además del detector, aprovechando la retroalimentación de la placa en el circuito de rejilla, como él y Forest habían logrado con el receptor regenerativo. Esto habría creado una función frontal compacta. En los circuitos actuales, el mezclador, el oscilador local y los amplificadores de RF e IF suelen estar incluidos en un único circuito integrado. Estos dispositivos están ampliamente disponibles para muchas aplicaciones diferentes, desde las necesidades de los consumidores hasta las industriales.

Figura 19
Figura 19. Etapa de amplificación de FI.

En los frontales de tubo y monolíticos, el proceso de mezcla produce sumas y diferencias entre la RF y el LO. En el caso de Armstrong, esto significa 0,1 MHz y 20,1 MHz. Además, es habitual que también haya fugas de RF y LO en la salida. Los términos no deseados creados por el mezclador deben filtrarse para recibir la señal deseada. Como el ancho de banda del detector era limitado, Armstrong se centró en el término de diferencia, 100 kHz. Es probable que su amplificador de FI de 2 etapas proporcionara cierto filtrado de los otros términos, además de las estructuras L-C resonantes que incluyó. Un amplificador de FI contemporáneo también incluirá algún tipo de filtro de FI. La figura 19 muestra un filtro LC básico, pero a menudo se utiliza algún tipo de filtro de alto Q. Las radios de banda estrecha suelen utilizar filtros de cuarzo o de cerámica para la etapa de FI; los diseños de banda más ancha suelen utilizar SAW o BAW, según sea necesario. A menudo este filtro se llama filtro de cobertura y se utiliza para proteger las etapas posteriores de las señales fuertes fuera de banda.

Con una señal de FI fuerte y bien filtrada, Armstrong podía ahora detectar fácilmente lo que antes eran débiles señales de RF fuera de la banda de paso de su detector. Ahora, en un IF, se ajustaban fácilmente a lo que los detectores eran capaces de hacer. En el caso del tubo, estas señales se rectificaban y luego se amplificaban para poder introducirlas directamente en un altavoz, al menos para las señales de amplitud modulada. En los receptores actuales, un convertidor analógico-digital muestrea la FI analógica y produce un equivalente digital, que luego se procesa digitalmente (incluida la demodulación). En el caso de una aplicación de audio, se puede volver a convertir en analógico con un convertidor de digital a analógico para accionar un altavoz si es necesario.

Figura 20
Figura 20. Detector.

Aunque tanto las versiones a válvulas como a transistores de estas radios pueden conseguir un resultado similar, los diseños contemporáneos tienen una serie de ventajas. En particular, los diseños modernos son mucho más pequeños y las necesidades de energía se han reducido considerablemente. Aunque las radios portátiles de tubo han existido desde el principio, los transistores han hecho posible la creación de radios de bolsillo. Los circuitos integrados han permitido crear radios de un solo chip para una amplia gama de aplicaciones, desde radios inalámbricas de corto alcance como el ADF7021 hasta las radios de alto rendimiento que ofrece el AD9371. En muchos casos, esto incluye tanto al receptor como al transmisor.

Figura 21
Figura 21. ADF7021 inalámbrico de corto alcance (simplificado).
Figura 22
Figura 22. Transceptor ZIF AD9371.

Como las radios monolíticas suelen utilizar convertidores de analógico a digital y de digital a analógico, facilitan fácilmente las modulaciones complejas. Históricamente, las radios de tubo se limitaban a tipos de modulación básicos como AM y FM. Cuando se añaden convertidores de datos a la radio, como suele ocurrir con las radios monolíticas, se pueden introducir nuevas formas de modulación mediante técnicas digitales, como el espectro ensanchado y el OFMD, que son el núcleo de gran parte de las comunicaciones modernas (TV digital, radio HD, DAB, teléfonos móviles) de las que dependemos cada día.

A medida que la tecnología radioeléctrica siga evolucionando, se producirán nuevos avances que podrán habilitar arquitecturas radioeléctricas o proporcionar funciones que actualmente no son posibles. Hoy en día, disponemos de una amplia gama de arquitecturas superheterodinas de muestreo de FI y de FI cero en formas altamente integradas. Otras arquitecturas en el horizonte incluyen el muestreo directo de RF, en el que la señal se convierte directamente en digital sin la conversión descendente analógica. A medida que la tecnología de radio continúe evolucionando, el número de opciones disponibles aumentará. Sin embargo, es probable que alguna forma de heterodino esté con nosotros durante algún tiempo.

Conclusión

En los 100 años de la radio superheterodina, poco ha cambiado la arquitectura, salvo la tecnología de implementación. A lo largo de los años hemos asistido a muchos cambios en el medio sobre el que se han construido las radios, ya que hemos visto cómo la tecnología migraba de los tubos a los transistores y a los circuitos integrados monolíticos. Estos cambios han permitido posibilidades que sólo eran un sueño para los primeros pioneros de la radio y a las que nuestra vida cotidiana está tan ligada

Uno de los elementos clave que ha hecho esto posible es el detector que llena el ADC de alta velocidad en la tecnología de radio actual. Las mejoras en los convertidores de datos y otras tecnologías en los últimos años han dado lugar a nuestro mundo conectado, que está cambiando nuestra vida cotidiana y el tejido de la sociedad moderna. Lo emocionante es que esta tecnología básica sigue evolucionando, lo que seguirá permitiendo nuevas soluciones inalámbricas que quizá no se conozcan hoy. Los próximos 100 años ofrecen tanto potencial para la próxima generación de tecnología inalámbrica como los inventos de Armstrong y Levy han ofrecido los últimos 100 años

Referencias

1 Tom Lewis El imperio del aire: los hombres que hicieron la radio. Harper Collins, 1991.

2 F1jmm Receptor de tubos de archivo. Marzo de 1902.

3 Por Alessandro Nassiri Detector magnético Marconi 1902-Museo scienza e tecnologia Milano. Museo nazionale scienza e tecnologia Leonardo da, diciembre de 2022.

4 JA.Davidson CrystalRadio. Septiembre de 2007.

5 Fred Harris. «Detección exacta de FM de series temporales complejas» Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Estatal de San Diego.

6 Walter Tuttlebee Radio definida por software: tecnologías habilitadorascapítulo 4: La conversión de datos en las radios definidas por software. Wiley, 2002.

7 Edward H. Armstrong. Patente estadounidense 1342885, «Método de recepción de oscilaciones de alta frecuencia» Solicitud presentada el 8 de febrero de 1919, concedida el 8 de junio de 1920.

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