- La radio envía señales usando un campo eléctrico alterno producido por cargas que van y vienen rápidamente, y la antena receptora las capta al inducirse en ella una corriente de la misma frecuencia
- Una buena antena no es simplemente una varilla metálica, sino una estructura resonante que aprovecha la longitud de onda y las reflexiones; un dipolo de media onda puede hacer circular una gran corriente alterna con baja impedancia de entrada
- AM, FM, PM y QAM transportan información cambiando características de la portadora, pero si la modulación es demasiado rápida la señal se desmorona, y AM también ocupa ancho de banda
- El receptor multiplica la señal de la antena por una onda senoidal seleccionada, genera componentes de diferencia de frecuencia y usa filtros para quedarse solo con la señal deseada
- Un receptor superheterodino desplaza la señal deseada a una frecuencia intermedia (IF) constante para filtrarla, lo que vuelve más manejable el problema de las imágenes simétricas superior e inferior que aparece en la mezcla directa
Las antenas crean ondas electromagnéticas mediante el movimiento de ida y vuelta de las cargas
- La comunicación por radio se usa ampliamente en la electrónica moderna, pero a nivel de aficionado puede ser difícil explicar qué hace que una antena sea buena o cómo un receptor selecciona solo una frecuencia determinada
- Una antena puede entenderse de forma intuitiva imaginando un capacitor abierto
- El campo eléctrico entre las dos placas del capacitor se extiende hacia el espacio circundante
- Un campo eléctrico estático no transmite información, y la mayor parte de la energía almacenada puede recuperarse si se conectan las placas para equilibrar las cargas
- Si se hace que las cargas vayan y vengan rápidamente entre las dos placas, el patrón de campo eléctrico alterno se propaga hacia afuera a la velocidad de la luz
- Cuanta más carga se desplace, mayor será la intensidad de cada onda
- Cuanto mayor sea la cantidad de conmutaciones por segundo, es decir, la frecuencia de la señal, mayor será también la energía radiada
- Una forma de onda completamente uniforme no basta para la comunicación; se puede transportar información cambiando poco a poco, con el tiempo, características como la amplitud
- Las transmisiones simultáneas en distintas frecuencias pueden distinguirse del lado receptor, lo que conduce a los principios de mezcla y filtrado que se explican más adelante
Por qué un dipolo de media onda funciona en la práctica
- Conectar un capacitor abierto a una fuente de señal de voltaje no suele producir un efecto importante en la práctica
- Si las placas se separan mucho, la capacitancia cae drásticamente y el circuito queda prácticamente abierto
- Para producir suficiente movimiento de ida y vuelta de electrones se necesita un voltaje alto
- Sin una corriente saludable, la energía de la onda radiada también es pequeña
- Una antena dipolo de media onda es una estructura con dos varillas sobre el mismo eje, excitadas desde el centro con una onda senoidal
- La longitud de cada varilla es exactamente 1/4 de longitud de onda
- La fórmula de conversión de longitud de onda es
λ = c / f - Por ejemplo, si
f = 200 MHz,λes de aproximadamente 1.5 m, es decir, unos 5 pies
- En un dipolo de media onda, el retardo de propagación de la señal y la reflexión en los extremos del conductor se combinan para producir resonancia
- Cuando el pico de la señal de excitación llega al extremo de cada varilla de
λ/4, interfiere de forma constructiva con la reflexión del pico anterior - El patrón de interferencia de voltaje se refuerza en los extremos de las varillas y se cancela cerca del punto de alimentación
- Gracias a esta estructura, es fácil suministrar una gran corriente alterna, y la antena presenta una impedancia eléctrica sorprendentemente baja
- Cuando el pico de la señal de excitación llega al extremo de cada varilla de
- Los dipolos con longitudes que son múltiplos impares de media onda, como
3/2 λy5/2 λ, también muestran comportamiento resonante- En múltiplos pares como
1 λy2 λtambién hay resonancias similares, pero las posiciones de las ondas estacionarias quedan ubicadas de una forma que estorba la excitación en lugar de ayudarla - Otras longitudes pueden no estar en resonancia perfecta, pero aun así quedar lo suficientemente cerca
- En múltiplos pares como
- Una antena demasiado corta puede mejorarse con un inductor en serie
- El inductor agrega retardo a la corriente
- La sección similar a un resorte en la base de la antena corresponde a una extensión de la longitud eléctrica
- No hace que una antena corta sea tan buena como una antena de tamaño real, pero ayuda a manejar la impedancia de entrada
Antenas receptoras y direccionalidad
- En el campo eléctrico real alrededor de una antena transmisora aparece una zona muerta en la dirección del eje de la antena
- Esto se debe a que el campo eléctrico se cancela por interferencia en ese eje
- Si se coloca la misma antena receptora a cierta distancia del transmisor, el dipolo receptor induce una corriente dentro del patrón de campo eléctrico alterno
- Una región atrae los electrones hacia la placa superior, y otra región los empuja hacia abajo
- La antena experimenta una corriente de ida y vuelta entre sus dos polos a la frecuencia de operación del transmisor
- Si la longitud de la antena receptora es adecuada, la corriente inducida también puede reforzarse por interferencia constructiva, lo que se traduce en una mayor amplitud de señal
- Un dipolo más largo que 1/2 longitud de onda se vuelve más direccional
- En un dipolo largo, incluso una ligera inclinación puede hacer que ambos extremos queden expuestos a campos eléctricos opuestos
- En ese caso, el flujo neto de corriente puede ser pequeño o nulo
- No todas las antenas son dipolos, pero muchas funcionan con principios parecidos
- Un monopolo es una variante que reemplaza una de las mitades de la antena por una conexión a tierra
- Las formas complejas se usan para mantener la resonancia en varias frecuencias o para ajustar finamente la direccionalidad
- Los arreglos de antenas usan patrones de interferencia constructiva y destructiva de señales controladas digitalmente para enfocar de manera flexible un punto determinado
La modulación traslada información a una banda alrededor de la frecuencia
- Los métodos representativos de modulación de señal son AM y FM
- AM cambia la amplitud de la portadora para transportar información
- FM desplaza la frecuencia de la portadora hacia arriba y hacia abajo
- Entre los métodos más avanzados están PM y QAM
- PM es modulación de fase
- QAM transmite información de manera robusta mediante la amplitud relativa de dos señales con una diferencia de fase de 90°
- Una vez separada la portadora, la demodulación en sí es relativamente fácil de entender
- AM también puede implementarse rectificando una onda senoidal amplificada con un diodo y luego pasando por un filtro pasa-bajos para obtener la envolvente de frecuencia de audio
- FM y PM se apoyan en phase-locked loops para detectar el desplazamiento
- Una restricción importante en la modulación es que la tasa de cambio de la señal portadora debe ser mucho menor que la frecuencia de la portadora
- Si la modulación es demasiado rápida, destruye la portadora y la convierte en algo parecido a ruido de banda ancha
- Las antenas resonantes y los circuitos tradicionales de sintonía de radio funcionan gracias a la condición de que casi nada cambie de un ciclo al siguiente
- Contra la intuición, toda modulación ocupa ancho de banda de frecuencia
- AM tampoco es un truco sin ancho de banda que solo cambie la amplitud de una onda senoidal de frecuencia fija
- Cualquier desviación respecto de una onda senoidal estable crea componentes transitorias en el dominio de la frecuencia
- Cuanto mayor sea la tasa de cambio, mayor será también la magnitud de esas componentes
- En una captura de una transmisión AM local se observan componentes de modulación de audio extendidas varios kHz a ambos lados de la portadora
- En términos generales, modular consiste en mover una banda de señales de baja frecuencia, como audio, a un fragmento de espectro de tamaño similar alrededor de una frecuencia central elegida
- Cada método la construye de manera distinta, pero el resultado es que se usa una banda de frecuencias
Los receptores multiplican señales para crear diferencias de frecuencia
- El funcionamiento básico de casi todos los receptores de radio consiste en mezclar, es decir, multiplicar, la señal amplificada de la antena por una onda senoidal de la frecuencia seleccionada
- Si la señal de entrada contiene una componente de la misma frecuencia, el resultado de la multiplicación produce un sesgo de DC proporcional al tamaño de esa componente
- Las demás frecuencias de entrada promedian casi cero en una escala de tiempo suficientemente larga
- Este proceso funciona de una forma muy parecida a la transformación en serie de Fourier, que divide una señal compleja en componentes de frecuencia individuales
- Al multiplicar dos ondas senoidales, aparecen juntas una componente de baja frecuencia
|f1 - f2|y una componente de alta frecuenciaf1 + f2- Esto se deriva de la fórmula de suma de ángulos del coseno
- Un fenómeno similar se conoce en música como la lenta frecuencia de batido que aparece al reproducir simultáneamente dos notas cercanas
- Por ejemplo, al combinar 400 Hz y 405 Hz se produce un batido de 5 Hz
- AM también puede explicarse desde esta perspectiva de multiplicación
- AM cambia la amplitud de una señal de frecuencia portadora
amultiplicándola por una onda senoidal de frecuencia más lentab - El resultado es indistinguible de la superposición de dos transmisiones senoidales simétricas separadas de
apor±b - Por lo tanto, AM también usa ancho de banda como otros métodos de modulación
- AM cambia la amplitud de una señal de frecuencia portadora
El superheterodino empuja lejos el problema de las imágenes
- Para recibir una transmisión alrededor de 10 MHz, podría pensarse en un método simple: mezclar la señal RF de entrada con una onda senoidal de 10 MHz
- Una señal de 10.00 MHz baja a DC
- 10.01 MHz produce un batido de 10 kHz y una componente de 20.01 MHz
- 10.02 MHz produce componentes de 20 kHz y 20.02 MHz
- Después, un filtro pasa-bajos puede dejar solo las bajas frecuencias propias del método de modulación y eliminar la componente no deseada
f1 + f2alrededor de 20 MHz
- El problema de este método simple surge del valor absoluto en la fórmula
|f1 - f2|- Como
cos(x)ycos(-x)son iguales, una transmisión por debajo de la frecuencia de referencia crea una imagen indistinguible de una transmisión por encima - Por ejemplo, una componente de 9.99 MHz y una señal de 10.01 MHz quedan ambas en 10 kHz
- Como
- Un receptor superheterodino mezcla la entrada RF con una frecuencia
fmás baja que la señal de interés para desplazarla a una frecuencia intermedia (IF) constante y relativamente baja- Luego selecciona las componentes relevantes con un filtro pasa-banda relativamente simple
- Este diseño fue ideado por Edwin Armstrong alrededor de 1919 y se conoce como superheterodyne
- El comportamiento fundamental de espejado sigue presente, pero se puede controlar el punto de simetría
fpara mantenerlo lejos- Las imágenes espejo accidentales de transmisiones no relacionadas se pueden manejar con más facilidad
- La respuesta en frecuencia de la antena puede diseñarse para que sea estrecha y reciba menos, desde el inicio, las frecuencias lejanas
- También puede colocarse un filtro grueso antes del mezclador
- Este comportamiento de los receptores superheterodinos también puede tenerse en cuenta en la asignación del espectro radioeléctrico
1 comentarios
Opiniones en Hacker News
Me gusta el enfoque de cerrar la brecha con definiciones claras, sin apoyarse en la “analogía hidráulica defectuosa” ni caer en ecuaciones diferenciales o álgebra de números complejos.
Hace muchísimo tiempo, cuando no existía Facebook y Google todavía era considerada una empresa “buena”, y en la electrónica de hobby casi no había opciones aparte de PIC, vi en línea un curso de electrónica muy largo y muy bien armado que partía desde cero y avanzaba por conceptos básicos R/C, transistores, imanes/transformadores y, si no recuerdo mal, temas bastante avanzados como la radio.
Estaba hecho con páginas HTML e imágenes bastante rudimentarias, y lo particular era que explicaba muchos conceptos hasta un nivel aplicable al diseño real de circuitos analógicos, incluso sin cálculo.
Puede que mi memoria falle, pero tenía un estilo HTML con fondo amarillento, parecía tomado de un antiguo curso de electrónica aplicada para ingenieros eléctricos de la Marina de EE. UU., y creo que se enfocaba más en circuitos analógicos.
En su momento lo descargué completo, pero ya no sé dónde está; seguramente quedó en algún lugar del disco de 1 GB de mi primera PC Pentium, así que en la práctica está perdido. Me pregunto si alguien sabe qué era.
[1] https://lcamtuf.substack.com/p/primer-core-concepts-in-elect...
El contenido fue actualizado en 2011.
Si la analogía hidráulica fuera perfecta, significaría que la electrónica simplemente se comporta como un fluido, y se podría enseñar como parte de la mecánica de fluidos. Pero en realidad la electrónica no es parte de la mecánica de fluidos; solo tiene algunas similitudes útiles para la enseñanza.
Es común enseñar primero con un modelo imperfecto y simplificado, y luego completar los detalles que rompen esa analogía.
También me pareció notable la parte sobre cómo todas las formas de modular una onda pueden reinterpretarse como modulación de frecuencia.
La radio analógica (AM, FM, etc.) funciona modulando débilmente una enorme portadora con la señal. La TV analógica, que usaba AM para la imagen y FM para el audio, destinaba el 80% de la potencia a la portadora, y las emisoras de TV UHF analógica solían usar transmisores de varios megavatios para superar el ruido con potencia de radio pura.
Los transmisores de TV digital emiten alrededor de 150 KW gracias a una mejor eficiencia de modulación. Las técnicas modernas de modulación son increíblemente eficientes, al punto de que resulta sorprendente que los teléfonos celulares funcionen.
[1] https://ocw.mit.edu/courses/6-450-principles-of-digital-comm...
Dijo que obtuvo el doctorado porque, al final, ese fue el tiempo que le llevó sentir que entendía bien su radio, y que incluso después de eso a veces no estaba seguro. Este artículo me recordó aquel discurso.
https://www.youtube.com/watch?v=LMxate9gegg
La ionosfera tiene varias capas y cambia de forma bastante dinámica según el Sol y la actividad solar. Puede pensarse como una cáscara cargada que rodea la Tierra y devuelve las ondas electromagnéticas, mientras sus propiedades fluctúan constantemente.
Las tormentas solares y las auroras que las acompañan son malas noticias para las comunicaciones por radio. Es una explicación muy simplificada.
Para HF definitivamente no son buenas. Gracias a que el Sol estuvo alborotado estos últimos días, tuve oportunidad de hacer otras cosas en vez de jugar con FT8 cada noche.
Cuando puse el video de Vimeo sobre la propagación del campo eléctrico de una antena dipolo de ½ λ, busqué mis audífonos pensando que quizá escucharía Dark Side of the Moon, pero no pasó.
Entiendo las antenas y sus propiedades físicas, pero las matemáticas detrás del procesamiento digital de señales siempre me resultan intimidantes.
Pero cuando aparecen frases como “La operación básica de espejado sigue existiendo, pero normalmente se gestiona bastante bien. Las imágenes accidentales de transmisiones no relacionadas pueden mitigarse eligiendo con criterio la IF, diseñando la antena para que tenga una respuesta de frecuencia estrecha o, si es necesario, poniendo un filtro RF pasa-bajos antes del mezclador”, se siente como si no se hubiera logrado el objetivo.
Habría sido mejor escribirlas completas, como “IF (frecuencia intermedia)” y “RF (radiofrecuencia)”, y agregar un enlace que explicara en qué contexto se usa la IF, pero el resto de la frase me parece bien.
https://www.argmin.net/p/the-spirit-of-radio
Requiere un circuito un poco más complejo que el diodo o la hoja de afeitar oxidada con alambre que se usan en AM, pero no es tremendamente complicado. Hay muchas formas de detectar FM, y la mayoría usa la fase, es decir, el cambio relativo instantáneo de la frecuencia, más que la frecuencia real.
La técnica moderna es el bucle de enganche de fase, pero también se puede hacer de maneras mucho más simples. Los filtros pasivos RC, LC y RL clásicos producen desplazamientos de fase, y si se toma la diferencia entre dos fases, en la práctica se decodifica FM. No necesariamente se necesitan componentes activos.
Eso sí, si solo usas un filtro RL, la eficiencia es muy baja, así que, sin siquiera un transistor o una válvula de vacío, quizás tengas que pararte justo al lado del transmisor. Aun así, para una transmisión local potente, una sola válvula de vacío o un transistor bastaría.
Con un capacitor se vuelve más fácil. También se puede hacer enrollando firmemente papel y papel aluminio, o poniendo un trozo de vidrio o mica entre láminas delgadas de madera. Conviene ver los circuitos detectores de pendiente de aquí (fig. 3 y 4), y el artículo en sí también sirve como buena introducción a la detección FM.
[1] https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/elect...