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La radio. Introducción, transmisor, modulación

Enviado por Pablo Turmero





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Breve historia de la radio Las ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio proporcionan un sistema de comunicación, la radio. Mediante este invento el mundo de la información inició una nueva era. Además, las ondas de radio también se utilizan en la telegrafía inalámbrica, la televisión, el radar, los sistemas de navegación y la comunicación espacial. A partir de la invención del telégrafo y del teléfono, la ciencia enfocó sus esfuerzos en realizar experimentos para conseguir otros sistemas de transmisión de mensajes. Aun cuando fueron necesarios muchos descubrimientos en el campo de la electricidad hasta llegar a la radio, su nacimiento data en realidad de 1873, año en el que el físico británico James Clerk Maxwell publicó su teoría sobre las ondas de radio o electromagnéticas. La teoría de Maxwell se refería sobre todo a las ondas de luz; quince años más tarde, el físico alemán Heinrich Hertz logró generar eléctricamente tales ondas. Con su descubrimiento, Hertz sentó las bases para la realización de la telegrafía inalámbrica. Varios años después, en 1896, el ingeniero e inventor italiano Guglielmo Marconi consiguió la hazaña: transmitió su señal inalámbrica de un poblado a otro en Inglaterra. En 1901, Marconi transmitió desde Inglaterra hasta Canadá y poco a poco la tecnología electromagnética fue avanzando; en la década de los veinte las emisoras de radio se multiplicaron con rapidez.

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En el siglo XX, exactamente en 1900, Marconi hizo instalar en The Needles Marconi un radiotelégrafo para enviar todos los días telegramas médicos hasta Londres ya que la reina Victoria había enfermado. El hecho de que los ingleses podía enterarse en forma casi inmediata de la salud de la reina Victoria permitió que se valorara seriamente el radiotelégrafo. Tiempo después, percibiendo un gran mercado en Estados Unidos, Marconi se traslada a Norteamérica y funda la American Maconi company y después la Marconi International Marina communication Co. Ltd,. La radio, que ha formado parte importante de la sociedad desde su aparición como medio masivo de comunicación, también ha tenido que sufrir importantes cambios. El primero de ellos fue uno externo, cuando el transistor sustituye a la válvula, logrando hacer de la radio un instrumento de consumo personal ya que se vuelve más pequeño y portátil. Tiempo después, se sustituye la amplitud modulada (AM) por la frecuencia modulada (FM) , aumentando la calidad de la recepción. Aunque la AM no desaparece, la FM es una peligrosa competidora. Actualmente contamos con sistemas más modernos: aparatos de radio mucho más pequeños y lo más moderno es escuchar "radio on line" por internet.

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TRANSMISOR DE RADIO Los componentes fundamentales de un transmisor de radio son: un oscilador para convertir la corriente eléctrica de red en oscilaciones de una determinada frecuencia de radio; los amplificadores, para aumentar la intensidad de dichas oscilaciones conservando la frecuencia establecida, y un transductor para convertir la información a transmitir en un voltaje eléctrico variable y proporcional a cada valor instantáneo de la intensidad. En el caso de la transmisión de sonido, el transductor es un micrófono; para transmitir imágenes se utiliza como transductor un dispositivo fotoeléctrico. Otros componentes importantes de un transmisor de radio son el modulador, que aprovecha los voltajes proporcionales para controlar las variaciones en la intensidad de oscilación o la frecuencia instantánea de la portadora, y la antena, que radia una onda portadora igualmente modulada. Cada antena presenta ciertas propiedades direccionales, es decir, radia más energía en unas direcciones que en otras, pero la antena siempre se puede modificar de forma que los patrones de radiación varíen desde un rayo relativamente estrecho hasta una distribución homogénea en todas las direcciones; este último tipo de radiación se usa en la radiodifusión.

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El método concreto utilizado para diseñar y disponer los diversos componentes depende del efecto buscado. Los requisitos principales de la radio de un avión comercial o militar, por ejemplo, son que tenga un peso reducido y que resulte inteligible; el coste es un aspecto secundario y la fidelidad de reproducción carece totalmente de importancia. En una emisora comercial de radio, sin embargo, el tamaño y el peso entrañan poca importancia, el coste debe tenerse en cuenta y la fidelidad resulta fundamental, sobre todo en el caso de emisoras FM; el control estricto de la frecuencia constituye una necesidad crítica. En Europa, por ejemplo, una emisora comercial típica de 1.000 kHz posee un ancho de banda de 9 kHz, pero este ancho sólo se puede utilizar para modulación; la frecuencia de la portadora propiamente dicha se tiene que mantener exactamente en los 1.000 kHz, ya que una desviación de una centésima del 1% originaría grandes interferencias con emisoras de la misma frecuencia, aunque se hallen distantes. Osciladores En una emisora comercial normal, la frecuencia de la portadora se genera mediante un oscilador de cristal de cuarzo rigurosamente controlado. El método básico para controlar frecuencias en la mayoría de las emisoras de radio es mediante circuitos resonantes, que poseen valores específicos de inductancia y capacitancia y que, por tanto, favorecen la producción de corrientes alternas de una determinada frecuencia e impiden la circulación de corrientes de frecuencias distintas.

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De todas formas, cuando la frecuencia debe ser enormemente estable se utiliza un cristal de cuarzo con una frecuencia natural de oscilación y con un lazo de realimentación para estabilizar las oscilaciones. En realidad, éstas se generan a baja potencia en una válvula electrónica y se amplifican en amplificadores de potencia que actúan como retardadores para evitar la interacción del oscilador con otros componentes del transmisor, ya que tal interacción alteraría la frecuencia. El cristal tiene la forma exacta con las dimensiones necesarias a fin de proporcionar la frecuencia deseada, que luego se puede modificar ligeramente agregando un condensador al circuito para conseguir la frecuencia exacta. En un circuito eléctrico bien diseñado, dicho oscilador no varía en más del 0,01% en la frecuencia. Si se monta el cristal al vacío a temperatura constante y se estabilizan los voltajes, se puede conseguir una estabilidad en la frecuencia próxima a 10-6. Los osciladores de cristal resultan de máxima utilidad en las gamas denominadas de frecuencia muy baja, baja y media (VLF, LF y MF). Cuando han de generarse frecuencias superiores a los 10 MHz, el oscilador maestro se diseña para que genere una frecuencia intermedia, que luego se va duplicando cuantas veces sea necesario mediante circuitos electrónicos especiales. Si no se precisa un control estricto de la frecuencia, se pueden utilizar circuitos resonantes con válvulas normales a fin de producir oscilaciones de hasta 1.000 MHz, y se emplean los klistrones reflex para generar las frecuencias superiores a los 30.000 MHz. Los klistrones se sustituyen por magnetrones cuando hay que generar cantidades de mayor potencia.

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Modulación La modulación de la portadora para que pueda transportar impulsos se puede efectuar a nivel bajo o alto. En el primer caso, la señal de frecuencia audio del micrófono, con una amplificación pequeña o nula, sirve para modular la salida del oscilador y la frecuencia modulada de la portadora se amplifica antes de conducirla a la antena; en el segundo caso, las oscilaciones de radiofrecuencia y la señal de frecuencia audio se amplifican de forma independiente y la modulación se efectúa justo antes de transmitir las oscilaciones a la antena. La señal se puede superponer a la portadora mediante modulación de frecuencia (FM) o de amplitud (AM). La forma más sencilla de modulación es la codificación, interrumpiendo la onda portadora a intervalos concretos mediante una clave o conmutador para formar los puntos y las rayas de la radiotelegrafía de onda continua. La onda portadora también se puede modular variando la amplitud de la onda según las variaciones de la frecuencia e intensidad de una señal sonora, tal como una nota musical. Esta forma de modulación, AM, se utiliza en muchos servicios de radiotelefonía, incluidas las emisiones normales de radio. La AM

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también se emplea en la telefonía por onda portadora, en la que la portadora modulada se transmite por cable, y en la transmisión de imágenes estáticas a través de cable o radio. En la FM, la frecuencia de la onda portadora se varía dentro de un rango establecido a un ritmo equivalente a la frecuencia de una señal sonora. Esta forma de modulación, desarrollada en la década de 1930, presenta la ventaja de generar señales relativamente limpias de ruidos e interferencias procedentes de fuentes tales como los sistemas de encendido de los automóviles o las tormentas, que afectan en gran medida a las señales AM. La radiodifusión FM se efectúa en bandas de alta frecuencia (88 a 108 MHz), aptas para señales de gran anchura de banda pero con alcance de recepción limitado. Las ondas portadoras también se pueden modular variando la fase de la portadora según la amplitud de la señal. La modulación en fase, sin embargo, ha quedado reducida a equipos especializados. El desarrollo de la técnica de transmisión de ondas continuas en pequeños impulsos de enorme potencia, como en el caso del radar, planteó la posibilidad de otra forma nueva de modulación, la modulación de impulsos en tiempo, en la que el espacio entre los impulsos se modifica de acuerdo con la señal.

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La información transportada por una onda modulada se devuelve a su forma original mediante el proceso inverso, denominado demodulación o detección. Las emisiones de ondas de radio a frecuencias bajas y medias van moduladas en amplitud. Para frecuencias más altas se utilizan tanto la AM como la FM; en la televisión comercial de nuestros días, por ejemplo, el sonido va por FM, mientras que las imágenes se transportan por AM. En el rango de las frecuencias superaltas (por encima de UHF), en el que se pueden utilizar anchos de banda mayores, la imagen también se transmite por FM. En la actualidad, tanto el sonido como las imágenes se pueden enviar de forma digital a dichas frecuencias. Antenas La antena del transmisor no necesita estar unida al propio transmisor. La radiodifusión comercial a frecuencias medias exige normalmente una antena muy grande, cuya ubicación óptima es de forma aislada, lejos de cualquier población, mientras que el estudio de radio suele hallarse en medio de la ciudad. La FM, la televisión y demás emisiones con frecuencias muy elevadas exigen antenas muy altas si se pretende conseguir un cierto alcance y no resulta aconsejable colocarlas cerca del estudio de emisión. En todos estos casos las señales se transmiten a través de cables. Las líneas telefónicas normales suelen valer para la mayoría de las emisiones comerciales de radio; si se precisa obtener alta fidelidad o frecuencias muy altas, se utilizan cables coaxiales.

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Transmisor de radio AM

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Espectro de la señal estereofónica -El ancho de banda de la señal de audio es el mismo que el de una emisora mono, es decir de 30 a 15000 Hz, por lo tanto la señal mono, o señal suma D+I, ocupará hasta 15 Khz por encima de la portadora. -A continuación se encuentra la señal piloto de 19 Khz, la cual regenerará en el receptor la subportadora de 38 Khz. -La señal diferencia D-I, precisa el doble de espacio, ya que aparece como una banda lateral por encima y otra por debajo de la subportadora. La banda lateral inferior no debe interferir ni a la señal suma ni a la señal piloto, por lo que la frecuencia más baja de esta banda es de 23 Khz, resultado de restar a los 38 Khz de la subportadora los 15 Khz del ancho de banda de audio de esta señal.    -Para reducir al mínimo posibilidades de interferencias entre la señal piloto y las señales D+I y D-I, es por lo que se elige la frecuencia de 19 Khz para la señal piloto, puesto que dicha frecuencia se encuentra centrada entre la frecuencia máxima de 15 Khz de la señal mono y los 23 Khz de la frecuencia mínima de la banda lateral inferior de la señal diferencia. -La suma de los porcentajes de cada espectro parcial es del 90 % con el fin de dejar un 10 % para la señal piloto, -Los dos subcanales (D-I) modulados con 38 Khz no podrán superar el 45 % de modulación, ya que en la subportadora están presentes las dos bandas laterales y su suma no puede superar el 90 % de modulación por los motivos ya apuntados.

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Codificador FM estéreo

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Transmisor radio FM

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Transmisor FM de 35 kw

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RECEPTOR DE RADIO Los componentes fundamentales de un receptor de radio son: 1) una antena para recibir las ondas electromagnéticas y convertirlas en oscilaciones eléctricas 2) amplificadores para aumentar la intensidad de dichas oscilaciones 3) equipos para la demodulación 4) un altavoz para convertir los impulsos en ondas sonoras perceptibles por el oído humano 5) osciladores para generar ondas de radiofrecuencia que puedan mezclarse con las ondas recibidas. La señal que llega de la antena, compuesta por una oscilación de la portadora de radiofrecuencia, modulada por una señal de frecuencia audio, suele ser muy débil. La sensibilidad de algunos receptores de radio modernos es tan grande que con que la señal de la antena sea capaz de producir una corriente alterna de unos pocos cientos de electrones, la señal se puede detectar y amplificar hasta producir un sonido inteligible por el altavoz. La mayoría de los receptores pueden funcionar aceptablemente con una entrada de algunas millonésimas de voltio. Sin embargo, el aspecto básico en el diseño del receptor es que las señales muy débiles no se convierten en válidas simplemente amplificando, de forma indiscriminada, tanto la señal deseada como los ruidos. Así, el cometido principal del diseñador consiste en garantizar la recepción prioritaria de la señal deseada. Muchos receptores modernos de radio son de tipo superheterodino, en el que un oscilador genera una onda de radiofrecuencia que se mezcla con la onda entrante, produciendo así una onda de frecuencia menor; esta última se denomina frecuencia intermedia (IF). Para sintonizar el receptor a las distintas frecuencias se modifica la frecuencia de las oscilaciones, pero la IF siempre permanece fija (en 455 kHz para la mayoría de los receptores de AM y en 10,7 MHz para los de FM). El oscilador se sintoniza modificando la capacidad del condensador en su circuito oscilador; el circuito de la antena se sintoniza de forma similar mediante un condensador. En todos los receptores hay una o más etapas de amplificación de IF; además, puede haber una o más etapas de amplificación de radiofrecuencia. En la etapa de IF se suelen incluir circuitos auxiliares, como el control automático de volumen, que funciona rectificando parte de la salida de un circuito de amplificación y alimentando con ella al elemento de control del mismo circuito o de otro anterior. El detector, denominado a menudo segundo detector (el primero es el mezclador), suele ser un simple diodo que actúa de rectificador y produce una señal de frecuencia audio. Las ondas FM se demodulan o detectan mediante circuitos que reciben el nombre de discriminadores; transforman las variaciones de la frecuencia en diferentes amplitudes de la señal.

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Amplificadores Los amplificadores de RF y de IF son amplificadores de voltaje, que aumentan el voltaje de la señal. Los receptores de radio pueden tener una o más etapas de amplificación de voltaje de audiofrecuencia (AF). Además, la última etapa antes del altavoz tiene que ser de amplificación de potencia. Un receptor de alta fidelidad contiene los circuitos de sintonía y de amplificación de cualquier radio. Como alternativa, una radio de alta fidelidad puede tener un amplificador y un sintonizador independientes. Las características principales de un buen receptor de radio son la sensibilidad, la selectividad y la fidelidad muy elevadas y un nivel de ruido bajo. La sensibilidad se consigue en primera instancia mediante muchas etapas de amplificación y factores altos de amplificación, pero la amplificación elevada carece de sentido si no se pueden conseguir una fidelidad aceptable y un nivel de ruido bajo. La selectividad es la capacidad del receptor de captar señales de una emisora y rechazar otras de emisoras diferentes que limitan con frecuencias muy próximas. La selectividad extrema tampoco resulta aconsejable, ya que se precisa un ancho de banda de muchos kilohercios para recibir los componentes de alta frecuencia de las señales de frecuencia audio. Un buen receptor sintonizado a una emisora presenta una respuesta cero a otra emisora que se diferencia en 20 kHz. La selectividad depende sobre todo de los circuitos en la etapa de la frecuencia intermedia. Sistemas de alta fidelidad Fidelidad es la uniformidad de respuesta del receptor a diferentes señales de AF moduladas en la portadora. La altísima fidelidad, que se traduce en una respuesta plana (idéntica amplificación de todas las frecuencias audio) a través de todo el rango audible desde los 20 Hz hasta los 20 kHz, resulta extremadamente difícil de conseguir. Un sistema es tan malo como el peor de sus componentes. La mayoría de las emisoras AM no reproducen con fidelidad los sonidos por debajo de 100 Hz o por encima de 5 kHz; las emisoras FM suelen tener una gama de frecuencias entre 50 Hz y 15 kHz. Distorsión En las transmisiones de radio a menudo se introduce una forma de distorsión de amplitud al aumentar la intensidad relativa de las frecuencias más altas de audio. Muchos receptores van equipados con controles de tono ajustables por el usuario, de forma que la amplificación de las frecuencias altas y bajas se pueda adaptar a gusto del oyente. Otra fuente de distorsión es la modulación transversal, es decir, la transferencia de señales de un circuito a otro por un apantallamiento defectuoso. La distorsión armónica ocasionada por la transferencia no lineal de señales a través de las etapas de amplificación puede reducirse notablemente utilizando circuitería de realimentación negativa.

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Receptor AM elemental Un receptor de AM convencional, simplemente convierte una onda de amplitud modulada nuevamente a la fuente original de información (o sea, demodula la onda AM). Cuando se demodula una onda AM, la portadora y la porción de la envolvente que lleva la información (o sea, las bandas laterales) se convierten (se "bajan ") o se trasladan del espectro de radio frecuencia a la fuente original de información. La sección de RF abarca los siguientes circuitos: antena, red de acoplamiento de la antena , filtro ( pre-selector ), y una o más etapas amplificadoras de RF. La sección de mezclador reduce las frecuencias de RF recibidas a frecuencias intermedias (IF). La sección de IF generalmente incluye varios amplificadores en cascada y los filtros pasa-bandas. Las funciones principales de la sección de IF son la amplificación y selectividad. El detector de AM demodula la onda de AM y recupera la información de la fuente original. La sección de audio simplemente amplifica la información recuperada a un nivel utilizable.

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Receptor AM

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Receptor FM elemental La señal FM es interceptada por la antena y amplificada por el amplificador de RF. Luego es alimentada al mezclador. Un oscilador local autoexcitado introduce una señal de frecuencia fija en el mezclador. La frecuencia intermedia (FI) resultante es acoplada desde el mezclador hasta el amplificador de FI, constituido por dos o más etapas. A continuación, un limitador, cuya función es suprimir las posibles variaciones de amplitud en la señal de FI, entrega una señal de FM con amplitud constante al discriminador. La señal de audio de salida del detector es amplificada por las etapas de BF que alimentan al altavoz. A menudo se incorporan a los receptores de F.M. una etapa de control automático de frecuencia (CAF); su finalidad es mantener estable la frecuencia del oscilador local.

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Receptor FM

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Receptor AM-FM

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