Características de los equipos de radio en recepción (I)
Se describe el significado de los conceptos técnicos comúnmente utilizados al definir las prestaciones de un equipo de radio en recepción, en ocasiones ocultos tras extrañas siglas
Sergio Manrique Almeida
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Al consultar la documentación de un equipo de radio hay un apartado de especificaciones técnicas, importantes al tratarse de mediciones de una serie de parámetros que caracterizan su comportamiento: es necesario conocer el significado de dichas medidas para valorar adecuadamente el equipo. En un transceptor la parte de recepción es más compleja que la de transmisión, y por tanto sus especificaciones más extensas; estas últimas son las tratadas en este artículo, a lo largo del que al hablar de receptores se engloba también la parte de recepción de equipos transceptores.
Sensibilidad
Es la capacidad del receptor de captar señales débiles, capacidad que no viene limitada por el ruido que pueda llegar por antena, sino por la capacidad de amplificación del receptor y su propio ruido interno. Existen diferentes criterios para su medición, los más utilizados son descritos a continuación.
Mínima señal distinguible (MDS, Minimum Discernible Signal). Es una medición del ruido de fondo generado internamente por el propio receptor; todos los receptores, y de hecho todos los equipos de telecomunicaciones generan un ruido interno que se suma a la señal transmitida/recibida.
La MDS es la mínima señal recibida cuyo nivel es equivalente al del ruido interno del receptor, medido en el ancho de banda de interés. En otras palabras: el nivel de señal que iguala el propio ruido del receptor. Definición formal de MDS: mínimo nivel de señal de radiofrecuencia entrante, tal que -en ausencia de otras señales- produce un aumento de 3 dB en el nivel de audio medido en la salida del receptor.
Figura 1. La mínima señal distinguible (MDS) de un receptor está relacionada con la fracción de ruido generado por el propio receptor que, tras pasar por los filtros de las frecuencias intermedias y por el demodulador alcanza la salida de audio. La MDS del ejemplo (en unidades de potencia, sean dBm ó fracciones de vatio) será aproximadamente la dada por el área tramada (ver texto)
En el supuesto de la figura 1 vemos el espectro de ruido interno de un receptor (cómo se reparte dicho ruido a lo largo de las distintas frecuencias), y su banda de paso para el modo seleccionado: un cálculo aproximado del MDS es multiplicar el nivel medio de ruido interno de RF por el ancho de banda del filtro de la frecuencia intermedia (FI) más estrecha, que seguramente será la última, en la que se lleva a cabo la demodulación. Este sencillo cálculo sirve para comprender el concepto de MDS, pero comporta simplificaciones:
1. En la FI se ha supuesto un filtro ideal (su respuesta frecuencial es plana, y un rectángulo perfecto), cuando todo filtro real, como se observa en la figura, tiene cierta pendiente en sus lados y cierto rizado en su banda de paso. Aunque también es cierto que para el filtro real, en función del total de ruido que deje pasar, se puede calcular un “ancho de banda equivalente” que sería su ancho de banda si fuera un filtro ideal que dejara pasar la misma cantidad de ruido.
2. Del mismo modo, no se ha tenido en cuenta la influencia de la respuesta frecuencial de las etapas de audio, que dependiendo del equipo será más o menos plana.
Como se ha dicho, el MDS para un mismo equipo es diferente según el ancho de banda del filtro de FI, y por tanto, según la modalidad de operación: SSB, CW, RTTY, etc. En el ejemplo de la figura, el MDS para un filtro de CW de 500 Hz es de -103 dBm, mientras que en ese mismo receptor para un filtro más estrecho (250 Hz) será de -106 dBm; para SSB, suponiendo un filtro de 2,4 kHz, el MDS será de -96 dBm, y para AM (6 kHz) será de -92 dBm. No tiene sentido comparar MDS medidos para diferentes anchos de banda; al comparar los MDS de distintos receptores hay que hacerlo con el mismo ancho de banda de filtro.
Asimismo, para equipos dotados de preamplificadores o atenuadores el MDS variará según la utilización de los mismos: el MDS mejorará al añadir un preamplificador, y empeorará al añadir atenuación.
Sensibilidad (Sensitivity). Una primera definición de sensibilidad es el nivel de señal entrante tal que la relación señal más ruido interno divididas por ruido interno, (S+N)/N es de 10 dB en la salida de audio. Otra definición empleada es el nivel de señal entrante para el que la relación señal dividida por ruido interno (S/N) es de 10 dB en la salida de audio. En cualquier caso se suele expresar en microvoltios (sabiendo la impedancia de antena son fácilmente convertibles a dBm), y como en el caso de la MDS su valor depende del ancho de banda del filtro previo a la demodulación, es decir, del modo.
Por ejemplo, la sensibilidad del receptor Perseus para un ancho de banda de 2,4 kHz (SSB) es de 0,39 microvoltios (µV) para (S+N)/N = 10 dB, que para los 50 ohmios de antena equivalen a -115 dBm; otro receptor que tuviese una sensibilidad, pongamos, de 0,1 microvoltios para (S+N)/N = 10 dB sería más sensible.
Una definición alternativa, utilizada principalmente en la recepción de FM, es la llamada relación señal a ruido y distorsión (SINAD), que tiene en cuenta no sólo el ruido interno del receptor, sino las espúreas debidas a la distorsión de la señal de interés, provocada por las imperfecciones del receptor: la SINAD se define como la señal de entrada necesaria para alcanzar los 12 dB de relación entre señal más ruido más distorsión, divididas por ruido más distorsión, (S+N+D)/(N+D). En general se acepta que 12 dB de SINAD es el mínimo imprescindible para la correcta recepción de FM de banda estrecha.
Sea cual sea la definición adoptada, cuanto menor sea el nivel de sensibilidad de un receptor (microvoltios), más débiles serán las señales que pueda demodular. Por otra parte, al cifrar la sensibilidad de un receptor, si éste dispone de preamplificador y/o atenuador debe indicarse si la medida se ha realizado con alguno de dichos dispositivos activado.
Factor de ruido (NF, Noise Factor). En el caso de receptores, es una medida de su sensibilidad con independencia del ancho de banda empleado; siempre que no se trate de comunicaciones espaciales se acepta definirla como la densidad de ruido interno del receptor (dBm/Hz) más 174 dBm/Hz. En el ejemplo de la figura 1, con una densidad de ruido interno de -130 dBm/Hz, se tendrá un factor de ruido de -130 dBm/Hz +174 dBm/Hz = 34 dB, tanto para SSB como para CW y otros modos. Cuanto mayor el factor de ruido, menor la sensibilidad.
El factor de ruido es otra medida del ruido que un sistema (sea un equipo de telecomunicaciones completo o una etapa de alguno de ellos) introduce. En la figura 2 se observa en (a) la entrada a un amplificador (señal más ruido de antena), y en (b) su salida: vemos que, debido al ruido introducido inevitablemente por el amplificador, en la salida de éste la señal tiene menos ventaja sobre el ruido que en la entrada. Precisamente el factor de ruido es la diferencia entre la relación señal a ruido en la salida y en la entrada (con el sistema evaluado en ciertas condiciones de laboratorio).
Figura 2. Debido al ruido introducido por el amplificador, la señal de interés está menos por encima del ruido en la salida que en la entrada. El factor de ruido del amplificador es una medida del ruido que introduce (ver texto)
Margen dinámico
Es la medida de la capacidad del receptor de captar señales débiles, sin que dicha capacidad se vea mermada por la presencia de otras señales más fuertes, que podrían saturar el receptor. A mayor margen dinámico, mayor dicha capacidad. A continuación algunas de las formas de definirlo.
Margen dinámico de bloqueo (BDR, Blocking Dynamic Range). El BDR nos indica la intensidad que debe tener una señal fuerte, ajena a la que deseamos recibir, para empezar a degradar la recepción de la señal de interés. Su valor viene dado por la diferencia (en dB) entre el ruido de fondo del receptor (MDS) y el nivel de señal (fuera del ancho de banda de FI) lo bastante elevado como para reducir la ganancia del receptor en 1 dB.
En la figura 3(a) se observa que el receptor trata de sintonizar una señal débil (SA), de nivel poco más elevado que el nivel MDS del receptor (su ruido interno). En 3(b) ha aparecido a varios kHz una señal mucho más fuerte (SB), con nivel tal que causa cierta saturación en el receptor y en consecuencia SA cae 1 dB, acercándose peligrosamente al nivel MDS. El margen dinámico de bloqueo es la diferencia entre el nivel de la señal bloqueante (SB) y el nivel MDS del receptor.
Figura 3. En (a) se observa una señal SA, ligeramente por encima del ruido del receptor. En (b), la aparición de una señal SB de gran intensidad, aún y estando fuera del ancho de banda de FI causa una disminución en la capacidad de amplificación del receptor, un principio de bloqueo, traducido en que el nivel de SA en la FI baja 1 dB. El margen dinámico de bloqueo (BDR) es la diferencia entre el nivel de la señal bloqueante SB y el nivel MDS, y al ser una diferencia entre potencias no tiene dimensiones y se mide en dB
El BDR suele medirse para una diferencia de 20 kHz entre la frecuencia de recepción y la frecuencia de la señal bloqueante. Los laboratorios Sherwood (http://www.sherweng.com), conocidos por sus análisis de receptores de radio, emplean una diferencia de 100 kHz para eliminar de la medida la influencia del ruido de fase de los osciladores.
Un ejemplo de bloqueo es el que puede producirse en los receptores de aficionados operando en la banda de 40 metros, debido a las potentísimas radiodifusoras situadas por encima de 7.200 kHz, o bien el producido (especialmente en bandas bajas) por señales de gran intensidad procedentes de estaciones de aficionado del propio país o de países cercanos.
La medida del BDR también depende del ancho de banda utilizado, que deberá citarse junto con el valor de BDR medido. Como ejemplo, los respectivos fabricantes de los receptores Perseus y QS1R citan para sus equipos un BDR de 125 dB, medido para un ancho de banda de 500 Hz (adecuado por ejemplo para CW).
Margen dinámico de intermodulación (IMD DR, IMDR, Intermodulation Dynamic Range). Cuando dos o más señales de gran intensidad llegan simultáneamente a un receptor, debido a las imperfecciones de éste (comportamiento no lineal) en su interior se generan unas señales parásitas resultado de la mezcla indeseada (intermodulación) de ambas señales, que pueden llegar a perturbar la recepción.
Como ejemplo, en la figura 4 vemos una etapa preamplificadora de RF en un receptor, o un preamplificador independiente: en su entrada (a) hay dos señales intensas correspondientes a la banda de 20 metros, que aparecen en su salida (b) amplificadas pero acompañadas por varias señales espúreas en otras frecuencias, generadas por el amplificador (en el ejemplo no se muestran todas las posibles); dichas señales parásitas son llamadas productos de intermodulación.
Figura 4. En (a) vemos las dos señales de entrada al amplificador del ejemplo; en (b) vemos en la salida ambas señales amplificadas y la aparición de señales espúreas cercanas llamadas productos de intermodulación (IMD). Para la medición del margen dinámico de IMD (IMD DR) las dos señales entrantes están separadas 2 kHz (espaciado estrecho, ejemplo de la figura) ó 20 kHz (espaciado ancho), y su nivel es tal que los productos de IMD más intensos están 3 dB por encima del ruido interno del receptor
El margen dinámico de IMD de un equipo se define como la diferencia entre: el nivel de las dos señales de entrada (idéntico para ambas) tal que provoca productos de intermodulación situados 3 dB por encima del ruido de fondo propio del equipo, y dicho nivel de ruido propio del equipo. Es habitual realizar la medición del IMD DR con una separación de 2 ó de 20 kHz entre las dos señales de entrada, y considerando los productos de intermodulación llamados de tercer orden, que son los más problemáticos (ver siguiente apartado): estas medidas del IMD DR aparecen con frecuencia bajo las siglas IMD3 ó IM3. Para algunos, el IMD DR es la cifra más importante al comparar receptores.
Como ejemplo, Flex Radio cifra en 95 dB el margen dinámico de IMD para su transceptor FLEX-3000 (para una separación de 2 kHz entre las dos señales de prueba, productos de IMD de orden 3, preamplificador desactivado, banda de 20 metros y ancho de banda de 500 Hz).
Si el número de señales en la entrada del receptor es lo bastante elevado, y especialmente si dichas señales están en un mismo margen de frecuencia, los productos de intermodulación serán numerosos y muy poco separados en frecuencia, incluso solapados: en esos casos ya se habla directamente de ruido de intermodulación. Ejemplo es la banda de aficionados de 40 metros: si contamos con una buena antena, parte del “ruido” que podamos escuchar en la banda (especialmente en horas nocturnas) no es de origen atmosférico o “humano”, sino ruido de intermodulación tanto de señales de aficionados como de las mencionadas radiodifusoras. De ahí que se recomiende que con una buena antena (que captará buenas señales) se emplee un equipo (sea receptor o transceptor) con buenas prestaciones en recepción: en HF, dados los niveles de ruido y señales, el margen dinámico de un receptor es más importante que su sensibilidad, a menos que nos encontremos en las bandas de 15 y 10 metros (donde el ruido atmosférico y las señales suelen ser inferiores) y seamos lo bastante afortunados como para operar desde un área donde el ruido generado por la civilización sea bajo (probablemente no será una ciudad).
Para comunicaciones por señal débil en VHF, sin duda se debe contar con una muy buena sensibilidad en recepción, pero si en el entorno hay un elevado nivel de señales de RF (emisoras comerciales en la banda de FM, otros servicios de comunicaciones en VHF, etc.) puede ser difícil conjugar sensibilidad con margen dinámico, esto es especialmente cierto en áreas urbanas o en las cercanías de centros emisores.
Punto de intercepción de tercer orden (IP3, TOI, Third-Order Interception Point). Otra manera de medir el efecto de las indeseadas intermodulaciones que se producen en el interior de un receptor. Supongamos que vamos incrementando el nivel de las dos señales de prueba empleadas en el apartado del IMD DR: el IP3 de un equipo se define como el nivel de dichas señales que causaría productos de intermodulación de tercer orden (de ahí el 3) cuyas intensidades son de tal calibre que igualarían las de las dos señales de entrada que los provocaron.
Los productos de IMD se definen según su orden (empezando por orden 2), y son menos intensos cuanto más elevado es dicho orden; entonces, si los de orden 2 son más intensos que los de orden 3, ¿por qué no definir el punto de intercepción para los de orden 2? Sucede que los productos de órdenes pares, en el caso de receptores con FI estrechas (como los de aficionados) caen fuera del ancho de banda del receptor; en el ejemplo de la figura 4(a) caerían en frecuencias cercanas a 28,4 MHz y en 2 kHz, por lo que en principio no deberían molestarnos al operar en 20 metros, mientras que algunos de los de tercer orden sí caen en frecuencias dentro de la FI. Por tanto, en nuestros equipos son más problemáticos los productos de IMD de tercer orden, aunque eso no es inconveniente para que algunos fabricantes den las cifras de IP2 (punto de intercepción de orden 2) para sus receptores.
El valor de IP3 en realidad es un cálculo, no puede medirse en la práctica: la razón es que el nivel de las señales de prueba necesario para medirlo es tan elevado que antes de poder medir el IP3 se produce la pérdida de sensibilidad del receptor por saturación.
Siguiendo con el FLEX-3000, su IP3 es mayor de 26 dBm (para una separación de 2 kHz entre las dos señales de prueba, preamplificador desactivado y banda de 20 metros), y su IP2 es 69 dBm (en 20 metros y con preamplificador desactivado). La cifra de IP3 de los FLEX-5000A y C es mejor, superando los 39 dBm.
Margen dinámico libre de espúreas (SFDR, Spurious-Free Dynamic Range). Seguimos con las dos señales de entrada empleadas en los apartados anteriores. El SFDR es la diferencia entre el nivel de dichas señales de prueba y el nivel de ruido interno del receptor, estando las señales de prueba en un nivel tal que las espúreas que producen no perturban, al estar en el mismo nivel que el ruido interno (ver figura 5).
Figura 5. El SFDR es la diferencia entre el nivel de las dos señales de prueba entrantes y el nivel de ruido interno del receptor, de modo que las espúreas producidas no perturban, están en el mismo nivel que el ruido interno.
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