Definición de Oscilador
Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasi periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético (ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, rayos X, rayos gamma, rayos cósmicos).
Heterodino y Aplicaciones de la Heterodinación
El término heterodino tiene dos significados principales:
- Generar nuevas frecuencias mediante la mezcla de dos o más señales en un dispositivo no lineal, tal como un diodo, una válvula termoiónica o un transistor.
- La frecuencia producida por la mezcla de dos o más señales en un dispositivo no lineal se denomina heterodina.
La heterodinación se utiliza ampliamente en la ingeniería de comunicaciones para generar nuevas frecuencias y mover información de un canal de frecuencia a otro. Además de su uso en el circuito superheterodino (presente en casi todos los receptores de radio y televisión), se emplea en:
- Transmisores de radio
- Módems
- Satélites de comunicaciones y Set-Top Boxes (STB)
- Radares
- Radiotelescopios
- Sistemas de telemetría
- Sistemas de telefonía celular
- Cabeceras y descodificadores de televisión por cable
- Relés de microondas
- Detectores de metales
- Relojes atómicos
- Sistemas de contramedidas electrónicas militares (jamming)
Aplicación de la Heterodinación en TV por Cable
En los sistemas de televisión por cable, la heterodinación permite transmitir múltiples canales (por ejemplo, 500) simultáneamente a través de un único cable coaxial. Esto se logra asignando a cada canal una frecuencia diferente para evitar interferencias. El tipo de multiplexación utilizado se denomina Multiplexación por División de Frecuencia (MDF).
Frecuencia Intermedia (FI)
La Frecuencia Intermedia (FI) es una frecuencia fija utilizada en receptores superheterodinos. Se obtiene al mezclar la señal de radiofrecuencia (RF) sintonizada en la antena con una señal generada localmente por un Oscilador Local (OL). La diferencia entre la frecuencia de la señal recibida y la frecuencia del OL es constante y corresponde a la FI.
En los receptores de radio convencionales, el valor de la frecuencia intermedia es normalmente 455 kHz o 470 kHz para receptores de Modulación de Amplitud (AM) y de 10.7 MHz para los de Modulación de Frecuencia (FM).
La utilidad del empleo de una frecuencia intermedia radica en que todos los circuitos sintonizados posteriores a la etapa de mezcla trabajan a una frecuencia fija (la de la FI), lo que facilita su ajuste. Esto mejora la selectividad y simplifica el diseño de las etapas amplificadoras. Sin la FI, sería necesario diseñar circuitos sintonizadores con alta selectividad y amplio rango de frecuencias, lo cual es complejo y costoso.
Receptor Superheterodino
Un receptor superheterodino es un receptor de ondas de radio que utiliza un proceso de mezcla de frecuencias o heterodinación para convertir la señal recibida en una frecuencia intermedia fija (FI). Esta FI puede ser procesada (filtrada y amplificada) de manera más conveniente que la frecuencia de radio original de la portadora. Prácticamente todos los receptores modernos de radio y televisión utilizan el principio superheterodino.
Función del Receptor Superheterodino y Proceso de Heterodinación
Una de las principales funciones del receptor superheterodino es realizar la mayor parte de la amplificación de la señal en una frecuencia constante, la Frecuencia Intermedia (FI). Al operar a una frecuencia fija, los circuitos pueden ajustarse con mayor precisión, optimizando el rendimiento de los componentes.
Los receptores superheterodinos mezclan (heterodinan) la señal entrante de la antena (Fant) con una frecuencia generada por un Oscilador Local (Floc) interno.
Efecto de Arrastre en la Sintonización
En muchos receptores, la sintonización de la señal de entrada y el ajuste del Oscilador Local (OL) se realizan simultáneamente. Esto se logra a menudo mediante un condensador variable con secciones acopladas en el mismo eje (tándem). Una sección ajusta el circuito de sintonía de entrada y la otra el OL, manteniendo constante la diferencia entre ambas frecuencias (la FI). Este mecanismo de sintonización conjunta se conoce como efecto de arrastre.
Diagrama de Bloques de un Receptor Superheterodino Típico
Filtro/Amplificador de RF (Radiofrecuencia)
Aísla la señal que deseamos recibir del resto de las señales que llegan a la antena. Este filtro pasabanda es genérico, por lo que tiene poca selectividad inicial en frecuencia.
Mezclador
Desplaza el espectro en frecuencia de la señal filtrada, centrándolo alrededor de la Frecuencia Intermedia (FI). Utiliza la componente de conversión ascendente o descendente según el diseño.
Filtro de Frecuencia Intermedia (FI)
Aísla perfectamente la señal a demodular, ya que es un filtro de alta selectividad en frecuencia, operando a la FI fija.
Detector (Demodulador) y Amplificador
El detector demodula la señal de frecuencia intermedia (recupera la información original, como audio o vídeo) y el amplificador proporciona la ganancia necesaria a la señal de salida.
Ventajas y Desventajas del Receptor Superheterodino
Ventajas
- La mayor parte del trayecto de la señal de radio (después del mezclador) solo necesita ser sensible a una estrecha gama de frecuencias (la FI), simplificando el diseño y mejorando el rendimiento.
- Solo la etapa de entrada (entre la antena y el mezclador) necesita manejar una gama amplia de frecuencias.
- Se evitan acoplamientos indeseados entre etapas por capacidades parásitas, al trabajar la mayor parte del circuito a una frecuencia constante (FI).
Desventajas
- Existe la posibilidad de recibir y demodular la frecuencia imagen si el filtrado de entrada no es adecuado, causando interferencias.
Frecuencia Imagen
La frecuencia imagen es una frecuencia de entrada no deseada que, al mezclarse con la frecuencia del Oscilador Local (OL) en un receptor superheterodino, produce la misma Frecuencia Intermedia (FI) que la señal deseada. Esto causa interferencias, dificultando la recepción correcta de la señal deseada.
Concepto y Solución del Problema de la Frecuencia Imagen
En un receptor superheterodino, el mezclador combina la señal de entrada (Fs) con la del Oscilador Local (Fol). La salida del mezclador contiene tanto la suma (Fs + Fol) como la diferencia (|Fs – Fol|) de estas frecuencias. El receptor está diseñado para procesar una de estas (normalmente la diferencia) como la Frecuencia Intermedia (FI).
Sin embargo, existe otra frecuencia de entrada, la frecuencia imagen (Fim), que también produce la misma FI. La relación es típicamente Fim = Fs + 2*FI (si Fol = Fs + FI) o Fim = Fs – 2*FI (si Fol = Fs – FI). La frecuencia no deseada (imagen) se denomina así por su simetría respecto a la frecuencia del OL.
La sensibilidad a la frecuencia imagen se minimiza utilizando un filtro de RF sintonizable (filtro preselector) antes del mezclador, que atenúa la frecuencia imagen, o empleando circuitos mezcladores más complejos (mezcladores de rechazo de imagen).
Receptor Superheterodino de Doble Conversión
Para mejorar el rechazo de la frecuencia imagen y aumentar la selectividad, especialmente en receptores que cubren amplias bandas de frecuencia, se utiliza la doble conversión. En este diseño, la señal de entrada se convierte primero a una primera Frecuencia Intermedia (1ª FI), generalmente alta (p. ej., 10.7 MHz). Luego, esta primera FI se mezcla nuevamente con otro oscilador local fijo para producir una segunda Frecuencia Intermedia (2ª FI), usualmente más baja (p. ej., 455 kHz). La mayor parte del filtrado selectivo y la amplificación se realizan en la 2ª FI. A este diseño se le denomina Superheterodino de doble conversión. Existen también superheterodinos de triple y cuádruple conversión.
Principio Fundamental de la Electrónica de Comunicaciones
La idea esencial en la electrónica de comunicaciones es el proceso de mezclado de señales para generar nuevas frecuencias o trasladar información entre frecuencias. Este proceso se basa en el principio de heterodinación. Dispositivos no lineales como transistores, diodos o válvulas termoiónicas se utilizan para realizar esta función de mezcla.
Ejemplo de Cálculo en AM (FI = 455 kHz)
Datos:
- Frecuencia Intermedia (FI) = 455 kHz
- Frecuencia deseada (Fs) = 1150 kHz
Cálculos:
- Frecuencia del Oscilador Local (Fol) = Fs + FI = 1150 kHz + 455 kHz = 1605 kHz (asumiendo Fol > Fs)
- Comprobación con señal de 1300 kHz: |Fol – F_interferencia| = |1605 kHz – 1300 kHz| = 305 kHz. Esto no es la FI (455 kHz).
- Frecuencia Imagen (Fim) = Fs + 2*FI = 1150 kHz + 2 * 455 kHz = 1150 kHz + 910 kHz = 2060 kHz. Una señal en 2060 kHz provocaría interferencia de imagen.
Cálculo de Frecuencia Imagen en la Banda AM
Datos:
- Banda AM: 526.5 kHz – 1606.5 kHz
- FI = 455 kHz
Cálculos:
- Para Fs1 = 526.5 kHz:
- Fol1 = Fs1 + FI = 526.5 + 455 = 981.5 kHz
- Fim1 = Fs1 + 2*FI = 526.5 + 2 * 455 = 526.5 + 910 = 1436.5 kHz
- Para Fs2 = 1606.5 kHz:
- Fol2 = Fs2 + FI = 1606.5 + 455 = 2061.5 kHz
- Fim2 = Fs2 + 2*FI = 1606.5 + 2 * 455 = 1606.5 + 910 = 2516.5 kHz
Problema: La frecuencia imagen para la frecuencia más baja (Fim1 = 1436.5 kHz) cae dentro de la banda de AM (526.5-1606.5 kHz). Esto significa que una estación transmitiendo en 1436.5 kHz podría interferir con la recepción de la estación en 526.5 kHz si el filtro preselector no la atenúa suficientemente.
Frecuencias que Producen la FI y Rechazo de Imagen
En un receptor superheterodino simple, hay dos frecuencias de entrada que, al mezclarse con la frecuencia del Oscilador Local (Fol), pueden producir la Frecuencia Intermedia (FI) deseada. Estas son:
- La frecuencia deseada (Fs)
- La frecuencia imagen (Fim)
Para rechazar la interferencia de imagen, es necesario utilizar un filtro de radiofrecuencia (RF) selectivo (filtro preselector) antes de la etapa mezcladora. Este filtro debe permitir el paso de la frecuencia deseada (Fs) y atenuar significativamente la frecuencia imagen (Fim).
Cálculo de Frecuencia Imagen en la Banda FM
Datos:
- Banda FM: 88 MHz – 108 MHz
- FI = 10.7 MHz
Cálculos:
- Para Fs1 = 88 MHz:
- Fol1 = Fs1 + FI = 88 + 10.7 = 98.7 MHz
- Fim1 = Fs1 + 2*FI = 88 + 2 * 10.7 = 88 + 21.4 = 109.4 MHz
- Para Fs2 = 108 MHz:
- Fol2 = Fs2 + FI = 108 + 10.7 = 118.7 MHz
- Fim2 = Fs2 + 2*FI = 108 + 2 * 10.7 = 108 + 21.4 = 129.4 MHz
Problema: Las frecuencias imagen calculadas (109.4 MHz y 129.4 MHz) caen fuera de la banda de radiodifusión FM (88-108 MHz). Esto hace que la interferencia por frecuencia imagen proveniente de otras emisoras de FM sea menos problemática que en AM. Sin embargo, señales potentes fuera de la banda FM que coincidan con la frecuencia imagen aún podrían causar interferencias.
Control Automático de Ganancia (CAG)
El Control Automático de Ganancia (CAG), o AGC por sus siglas en inglés (Automatic Gain Control), es un circuito que ajusta automáticamente la ganancia de los amplificadores de FI y, si es necesario, del amplificador de RF de entrada. Su función es mantener un nivel de señal relativamente constante en las etapas posteriores, independientemente de las variaciones en la intensidad de la señal recibida por la antena.
El CAG garantiza las siguientes funciones básicas:
- Permite cambiar de canal sin necesidad de reajustar manualmente la ganancia del receptor.
- Evita las fluctuaciones en la salida (p. ej., volumen de audio o brillo de imagen) debido a variaciones de la señal de entrada (fading).
- Evita la saturación de los amplificadores de RF y FI cuando se reciben señales de antena muy fuertes.
- Proporciona una señal de control proporcional al nivel de la señal recibida, útil para indicadores de intensidad de señal.
Lazo de Seguimiento de Fase (PLL – Phase-Locked Loop)
Un Lazo de Seguimiento de Fase (Phase-Locked Loop o PLL) es un sistema de control realimentado que genera una señal de salida cuya fase (y por tanto frecuencia) está relacionada de forma precisa con la fase de una señal de entrada o de referencia. El circuito compara la fase de la señal de salida con la de referencia y ajusta un oscilador controlado por voltaje (VCO) para minimizar la diferencia de fase.
Cuando existe sincronización, se dice que el PLL está “enganchado” o Locked, y el error de fase entre ambas señales es nulo o constante. Si el error aumenta, el control actúa sobre el oscilador para reducirlo. Los PLL son fundamentales en sintetizadores de frecuencia, demoduladores de FM y sistemas de recuperación de reloj, entre otras aplicaciones.
Tasa de Error de Modulación (MER – Modulation Error Rate)
La Tasa de Error de Modulación (Modulation Error Rate o MER) es una medida cuantitativa de la calidad de una señal modulada digitalmente. Compara la señal recibida real con la señal ideal teórica (la constelación de referencia). Un MER alto indica que los puntos de la constelación recibida están muy cerca de sus posiciones ideales, lo que implica una señal de alta calidad con bajo ruido y distorsión.
El MER es análogo a la Relación Señal/Ruido (SNR) en sistemas analógicos y se expresa comúnmente en decibelios (dB). Un MER bajo indica una degradación significativa de la señal. Se mide tanto en transmisión (para verificar el modulador) como en recepción (tras la demodulación).
Razón de Onda Estacionaria (ROE)
La Razón o Relación de Onda Estacionaria (ROE), también conocida como SWR (Standing Wave Ratio) en inglés, es una medida del desajuste de impedancias entre una línea de transmisión (como un cable coaxial) y su carga (como una antena). Mide la relación entre la amplitud máxima y mínima de la onda de voltaje (o corriente) a lo largo de la línea.
Una ROE ideal es 1:1, lo que indica que toda la energía enviada por el transmisor es entregada a la carga. Una ROE mayor que 1 indica que parte de la energía es reflejada por la carga de vuelta hacia el transmisor. Una ROE alta puede indicar problemas en la antena, el cable o las conexiones, y puede reducir la eficiencia de la transmisión e incluso dañar el transmisor.
Información de Estado del Canal (CSI – Channel State Information)
La Información de Estado del Canal (Channel State Information o CSI) describe las propiedades de un canal de comunicación (cómo se propaga la señal desde el transmisor al receptor). Esta información puede incluir efectos como el scattering, el fading (desvanecimiento) y el retardo de propagación.
En algunos sistemas digitales (como DVB), se utiliza un parámetro derivado, a menudo expresado como porcentaje, como medida complementaria de la calidad del enlace. Un valor alto (p. ej., superior al 50-70%, dependiendo del sistema) indica que el canal permite una decodificación fiable de la trama digital. Valores bajos pueden afectar servicios sensibles a errores, como descargas de ficheros o navegación por Internet, incluso si la imagen de TV es visible.
Canal de Retorno
El canal de retorno se refiere a la vía de comunicación que permite enviar información desde el usuario final (receptor) de vuelta hacia el proveedor de servicios o la cabecera del sistema. Es esencial para servicios interactivos (como vídeo bajo demanda, teletexto interactivo, acceso a Internet).
En sistemas como la TDT interactiva (MHP) o la TV por cable, el canal de retorno puede utilizar diferentes tecnologías y bandas de frecuencia. El texto menciona un ejemplo con ancho de banda de 1 MHz, modulación COFDM y diferentes espaciados de portadora (1, 2 o 4 kHz) para adaptarse a distintos tamaños de celda y robustez.
Difusión de Señales de Televisión: Radioenlaces y Redes
La difusión de señales de televisión desde los estudios hasta los centros emisores, o entre diferentes centros emisores, se realiza comúnmente mediante radioenlaces. Estos son sistemas de comunicación punto a punto, generalmente unidireccionales (aunque pueden ser bidireccionales), que operan típicamente en frecuencias de microondas.
También se emplean radioenlaces para llevar señales desde unidades móviles (en eventos en directo) hasta los estudios. La red de difusión suele tener una estructura robusta (como estrella múltiple) para garantizar la continuidad del servicio ante fallos o condiciones adversas.
Tipos de Difusión de Televisión
Difusión Local
El programa se recibe únicamente en el área de cobertura de un emisor específico, limitada a una localidad o región cercana. Puede requerir solo un enlace estudio-emisor si no están en el mismo lugar. La cobertura depende de la potencia del emisor y la geografía local.
Difusión Regional
Para cubrir una región más amplia, se pueden usar enlaces para conectar varios emisores cuyas coberturas no se solapen, o instalar reemisores en zonas de sombra (bloqueadas por obstáculos como montañas) para redirigir la señal.
Difusión en Cadena
Para alcanzar múltiples regiones o todo un país, se utiliza una red de enlaces para distribuir el programa a diferentes centros regionales. Cada centro regional puede, a su vez, alimentar a reemisores locales. Es posible excluir selectivamente a ciertos centros regionales de la cadena (por motivos culturales o comerciales), permitiéndoles emitir programación local o regional mientras dura la desconexión.
Diagrama de Bloques de Reemisores de TV
Un reemisor de TV recibe una señal de televisión en un canal y la retransmite en otro canal diferente (generalmente dentro de la misma banda) para cubrir áreas de sombra o extender la cobertura. Sus bloques principales son:
Filtro de Canal de Entrada
Selecciona el canal de TV que se va a recibir y rechaza otras señales, incluyendo la frecuencia imagen generada en la conversión posterior. Suele ser un filtro pasabanda L-C con buena selectividad.
Preamplificador de Entrada
Amplifica la señal débil recibida por la antena para asegurar una relación señal/ruido (SNR) adecuada antes de procesarla.
Conversor Descendente (Downconverter)
Sintoniza el canal de TV recibido y traslada su espectro a una Frecuencia Intermedia (FI) estándar (p. ej., 38.9 MHz en sistemas analógicos PAL/SECAM). Utiliza un mezclador y un Oscilador Local (OL) controlado por un PLL para generar la frecuencia de mezcla precisa.
Filtro de Frecuencia Intermedia (FI)
Es un filtro pasabanda muy selectivo centrado en la FI. Elimina los productos de mezcla no deseados y define el ancho de banda del canal. Puede incluir etapas de amplificación.
Conversor Ascendente (Upconverter), Filtro de Canal de Salida y Amplificadores de Potencia
La señal en FI se convierte ahora a la frecuencia del canal de salida deseado (diferente del canal de entrada para evitar auto-interferencia). Esto se hace con otro mezclador, un segundo OL (también controlado por PLL) y un filtro de canal de salida. Finalmente, la señal se amplifica a la potencia requerida para la retransmisión mediante amplificadores de potencia.
Condiciones para la Instalación de Reemisores
Al planificar la instalación de un reemisor, se deben considerar varias condiciones:
- Ubicación elevada: Para maximizar el área de cobertura y tener línea de vista con la zona a cubrir.
- Recepción directa: No debe haber obstáculos entre el emisor principal y la antena receptora del reemisor.
- Nivel de señal adecuado: La señal recibida del emisor principal debe tener suficiente calidad (buena SNR) para no degradar la señal reemitida.
- Accesibilidad: El lugar debe ser accesible para instalación y mantenimiento.
- Suministro eléctrico: Preferiblemente disponibilidad de red eléctrica, especialmente para reemisores de alta potencia.
Factores para el Cálculo de Equipos de Emisión
Al calcular los requisitos de los equipos de emisión (o reemisión), un factor clave es asegurar que la calidad de la señal se mantenga. Por ejemplo, la señal de entrada (Se) al equipo debe estar dentro de los márgenes especificados por el fabricante y debe permitir conseguir una relación señal/ruido (SNR) en la salida superior a un umbral determinado (p. ej., 43 dB para una calidad considerada ‘perfecta’ en algunos estándares).
Asociación de Paneles Radiantes (Antenas)
En los centros emisores o reemisores, a menudo se asocian múltiples antenas (paneles radiantes) con dos fines principales:
- Ampliar el ángulo de cobertura: Se colocan paneles en diferentes direcciones (p. ej., en las caras de una torre) para cubrir 180°, 270° o 360°.
- Ampliar la ganancia y/o la potencia máxima radiada: Se agrupan paneles en la misma dirección, alimentados en fase. Esto aumenta la directividad (ganancia) del sistema de antenas y permite manejar potencias totales superiores a las que soportaría un solo panel, ya que la potencia se distribuye entre ellos.