Características de los equipos de radio en recepción (y II)
Continúa la explicación de los conceptos técnicos utilizados al describir las prestaciones de un equipo de radio en recepción
Sergio Manrique Almeida
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Selectividad
Capacidad de filtrado de un receptor, de discriminar unas señales de otras. La curva de selectividad de un receptor para un modo dado (SSB, CW, etc.) se obtiene experimentalmente (figura 1(b)), pero la información facilitada por los suministradores suele ceñirse a ciertos puntos de dicha curva:
a) El ancho de banda para una atenuación de 6 dB ó menor respecto el máximo del filtro. Se denomina banda de paso. En ocasiones se informa de la banda de paso para 3 dB.
b) El ancho de banda para una atenuación de 60 dB ó mayor. Da lugar a la llamada banda de rechazo.
Ver ambos parámetros en la figura 1(b).
Como ejemplo, decir que el transceptor ICOM IC-7800 tiene la siguiente selectividad en SSB (filtro con ancho de banda de 2,4 kHz): mejor de 2,4 kHz a -3 dB (atenuación de 3 dB o inferior), y mejor de 3,6 kHz a -60 dB (atenuación de 60 dB o superior).
Figura 1. En (a) se observa un filtro ideal: deja pasar solamente las señales con frecuencias dentro de su banda de paso, sin atenuación, y rechaza el resto. En (b) vemos un filtro real, con cierto rizado y atenuación dentro de la banda de paso, y cierta pendiente en sus lados.
Si la curva de selectividad de un receptor no es conocida, es importante conocer tanto el ancho de banda a -3 dB (ó -6) como el ancho de banda a -60 dB. La razón la vemos en el ejemplo de la figura 2, donde se muestran dos filtros de SSB hipotéticos: los filtros en (a) y en (b) tienen respectivamente un ancho de banda a -6 dB de 2,0 kHz y 2,5 kHz. El filtro (a) tiene una menor banda de paso, en principio ello es una ventaja respecto el (b) si vamos a operar en una banda muy concurrida; ahora bien, vemos que el ancho de banda a -60 dB del filtro (a) es de 4,0 kHz, mayor que el del filtro (b), cifrado en 3,5 kHz.
Esto nos lleva al concepto de factor de forma, que es una medida de en qué grado un filtro se aproxima al filtro ideal “rectangular” (figura 2(a)). Un filtro puede tener buena selectividad a -6 dB y sin embargo tener un mal factor de forma, es decir, captar señales indeseadas por los flancos de su curva de respuesta frecuencial.
Figura 2. El filtro (a) tiene un ancho de banda a -6 dB más estrecho que el (b), pero un peor factor de forma (ver texto)
Otros parámetros
Rechazo de imagen (Image Rejection). En los receptores analógicos convencionales, las señales entrantes por antena son trasladadas sucesivamente a una serie de frecuencias llamadas intermedias (FI) para su amplificación y filtrado en dichas frecuencias; tras la última FI es llevada a cabo la demodulación.
El traslado a las frecuencias intermedias es llevado a cabo por unas etapas llamadas mezcladores (ver figura 3): cada mezclador multiplica la señal entrante y una portadora generada por un oscilador en el equipo.
Figura 3. Ejemplo de diagrama de bloques de un receptor con dos frecuencias intermedias
El oscilador de la primera FI suele ser de frecuencia variable, asociado al mando de sintonía del equipo (VFO). Ver ejemplo en la figura 4(a), en la que dicho oscilador está sintonizado a la frecuencia de 39,400 MHz para recibir la señal entrante de 28,700 MHz (39,400 - 28,700 = 10,700 MHz, que es la primera FI).
Como se observa en 4(a), en la salida de un mezclador aparecen dos señales, cuyas frecuencias son la suma y la diferencia de las frecuencias de la señal de interés y la del oscilador local. Esto no es inconveniente, porque inmediatamente la señal no deseada es rechazada (en la figura es la señal de 68,100 MHz, eliminada por el filtro de cristal de la 1ª FI, 10,700 MHz).
Figura 4. En (a) se tiene una sola señal de entrada al receptor, de frecuencia 28,700 MHz. La multiplicación de dicha señal por la del oscilador local da como resultado en la salida del mezclador dos señales, una de las cuales es rechazada por el filtro de la 1ª frecuencia intermedia.
En (b) entran en el receptor dos señales: deseamos demodular la de 28,700 MHz, pero la segunda señal entrante tiene una frecuencia (50,100 MHz) tal que por las combinaciones de frecuencias en el interior del receptor, el mezclador la traslada a la frecuencia de la FI (10,700 MHz), perturbando la recepción de la señal de interés (28,700 MHz)
El caso es que en un receptor hay lugar a toda una serie de posibles combinaciones de frecuencias, de forma que hay que cuidar el diseño del receptor para que dichas combinaciones no perturben la recepción de la señal de interés: así, el problema surge cuando en el ejemplo de la figura 4(b) sintonizamos el receptor para recibir una señal en 28,700 MHz y a la vez aparece en antena otra señal de frecuencia 50,100 (28,700 más dos veces la frecuencia de la primera FI). Si el receptor no es lo bastante completo, la señal indeseada de 50,100 MHz caerá dentro de la FI de 10,700 MHz y progresará, pudiendo saturar algunas etapas del receptor o incluso alcanzar el demodulador.
La solución pasa, en primer lugar, por filtrar inmediatamente en la entrada del receptor, y que el filtro situado atenúe suficientemente en frecuencias fuera de la banda de interés. Como ejemplos, el transceptor FLEX-1500 tiene un filtro paso banda de orden 4 para cada banda de aficionado, mientras que los filtros en sus hermanos mayores de la serie 5000 son de orden 11, con lo que rechazan mejor las señales fuera de la banda candidatas a provocar señales imagen.
Asimismo es necesario que el receptor cuente con no sólo una, sino con varias etapas de FI, y situadas en frecuencias diferentes; adicionalmente, se suele dotar a la 1ª FI con una frecuencia mayor que las de las señales a recibir, de manera que las posibles señales “imagen” queden más alejadas del ancho de banda del primer filtro situado después de la antena. Como ejemplo, el transceptor portátil Yaesu FT-817 tiene su 1ª FI en 68,33 MHz, de forma que la situación de la figura 4(b) se daría no para una señal de 50,100 MHz, sino para una de 165,360 MHz, mucho más atenuada por el filtro de entrada de 28 MHz que la señal de 50,100 (señal imagen más rechazada).
El rechazo de imagen se cifra así: es la medida de la atenuación de las frecuencias imagen como la del ejemplo, y viene dada por la relación en dB entre los niveles en las FI del receptor entre la señal de interés (28,700 MHz en la figura 4(b)) y de la frecuencia imagen (50,100 MHz en la misma figura). Para el mencionado FT-817, el rechazo de imagen es de 70 dB en las bandas de HF y 50 MHz, y de 60 dB en las bandas de 144 y 430 MHz.
Por cierto, en las especificaciones del FT-817 se cita un parámetro llamado rechazo de frecuencia intermedia; posiblemente se esté haciendo referencia al grado de rechazo de lo que sería en la figura 4(a) la señal de 68,100 MHz, el segundo producto en la salida del mezclador.
Ruido del oscilador local (LO Noise). Un oscilador local (OL) genera una señal portadora, de una sola frecuencia. Dicha señal, debido a las imperfecciones de los circuitos que la generan, tiene cierta inestabilidad en su amplitud y en su fase, siendo esta última la más perniciosa: provoca que la señal no sea una portadora pura, al extender parte de su potencia a frecuencias colaterales (ver figura 5).
Figura 5. Un oscilador local genera una señal portadora, de una sola frecuencia, que debido a las imperfecciones de los circuitos que la generan tiene cierta inestabilidad en su amplitud y en su fase; esta última provoca que la señal no sea una portadora pura, al extender parte de su potencia a frecuencias colaterales y afectando así el rendimiento del receptor (o transceptor)
El efecto es un mayor ruido en recepción debido a que las señales procedentes de antena ya no se mezclan con una sola portadora, sino con el ruido de fase que la rodea. Asimismo el receptor pierde selectividad. El ruido del oscilador local (se mide en el oscilador asociado al VFO) es la diferencia en dB entre el nivel del oscilador y la densidad de ruido de fase (no el ruido total de fase). Al ser una diferencia respecto una portadora, suele escribirse en dB respecto portadora (dBc, dB Carrier); como ejemplo, según Sherwood, el transceptor Elecraft K3 tiene una relación de ruido de fase de 138 dBc.
Especificaciones de los receptores SDR
En el caso de receptores definidos por software (SDR) hay algunas particularidades a tener en cuenta al analizar sus prestaciones: aparecen conceptos nuevos, otros pierden sentido y otros se aplican de distinta forma.
Nivel de recorte de la conversión analógico a digital (ADC Clipping Level). En receptores que llevan a cabo la conversión de analógico a digital (A/D) directa del conjunto de señales que llegan por antena, si el nivel total de las señales alcanza un punto determinado, se producirá la saturación de la etapa de conversión; dicho nivel vendrá dado por la etapa frontal del receptor (filtrado y preamplificación) y por el dispositivo conversor A/D empleado. Como ejemplo, el receptor Perseus tiene un nivel de recorte de -4 dBm y -7 dBm, con y sin el preamplificador activo respectivamente.
Margen dinámico de la conversión A/D (ADC Dynamic Range). De modo similar, en receptores con una conversión de frecuencia previa a la digitalización del ancho de banda de interés, si el total de las señales entrantes alcanza cierto nivel se producirá la saturación de la etapa de conversión analógico a digital; asimismo habrá un nivel mínimo de señal detectable por el conversor A/D. Esto nos lleva a retomar el concepto de margen dinámico pero aplicándolo esta vez a una conversión A/D; como ejemplo, para el FLEX-3000 dicho margen es de 92 dB (para 48.000 muestras por segundo de 24 bits cada una).
Rechazo de “aliasing” (Alias Rejection). Para explicar este concepto tomaremos como ejemplo el receptor SDR-IQ, que muestrea todo el ancho de banda de 0 a 30 MHz a una velocidad de unos 66 MHz (millones de muestras por segundo) de 14 bits cada una. El receptor tiene como primera etapa un filtro paso bajo de 0 a 30 MHz; si ese filtro no estuviese, las señales en el margen de 33 a 66 MHz serían también digitalizadas y se superpondrían a las de 0 a 30 MHz, haciendo imposible el funcionamiento del receptor. Lo mismo pasaría con el margen entre 66 y 99 MHz, y así sucesivamente. Este fenómeno se conoce como solapado (aliasing).
Margen dinámico de intermodulación y punto de intercepción de tercer orden (IP3). Son parámetros que miden los productos indeseados generados en las etapas de un receptor analógico, esto es, basado en una serie de conversiones de frecuencia (FI). En un receptor SDR que digitalice directamente (tras un filtro y un preamplificador previos) la señal de antena tales mediciones cambian su sentido; las señales espúreas debidas al propio receptor SDR son debidas principalmente a la no linealidad de los conversores analógico a digital y viceversa, y a interferencias procedentes de los buses de datos digitales, y la experiencia muestra que no aumentan al subir los niveles de las señales de entrada. Aunque también podrán producirse intermodulaciones (en el sentido clásico de la palabra) en el preamplificador de entrada, si lo hay.
Rechazo de imagen. En receptores SDR, las señales en frecuencias imagen no son causadas por las combinaciones de frecuencias descritas anteriormente: no hay FI en el sentido de las que pueda haber en un receptor analógico. No obstante, en el interior de un SDR tienen lugar unos procesos de multiplicación digital que en cierto modo son análogos a los realizados por las etapas mezcladoras existentes en receptores convencionales: el nivel de rechazo de imagen en equipos SDR viene dado por cómo se lleven a cabo esas multiplicaciones (conversiones entre distintas velocidades de muestreo), por ejemplo por la precisión de las muestras (bits por muestra).
Latencia. El tratamiento digital de las señales por parte de un receptor SDR introduce cierto retardo desde que entran señales por antena y sale remodulada la señal de interés:
-Conversión analógico a digital y viceversa.
-Retardos introducidos por el propio sistema operativo, variables según los drivers que emplee el programa SDR. Mencionar especialmente las conversiones de velocidad de muestreo.
Los procesos que tengan lugar en el software asociado a un equipo SDR serán menores si son trasladados a etapas electrónicas del propio receptor (chips programables DSP y FPGA, etc.).
Unos diseñadores de equipos y software SDR priman la calidad en la recepción (margen dinámico, buen filtrado digital, etc.) por encima del retardo. Otra tendencia es minimizar dicho retardo, y otra más intenta alcanzar soluciones de compromiso.
Para los aficionados a la escucha, un retardo de décimas de segundo no tiene importancia alguna; no puede decirse lo mismo en el caso de aficionados emisoristas: por ejemplo, al operar en CW modo QSK o en concursos debe evitarse un retardo en la recepción de 50 milisegundos o más.
Como ejemplo, para el transceptor digital ADT-200A se cita una latencia entre la entrada por antena y la salida de audio de 20 milisegundos como valor típico, dependiente del ancho de banda de filtrado empleado. En cualesquiera equipos/software SDR, cuanto mayor sea el orden de los filtros empleados (mejor su factor de forma, mayor complejidad del filtro), mayor será el tiempo de retardo que introduzcan.
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