3.3: Tecnología de Modulación y Demodulación Temprana

Los primeros moduladores y demoduladores se consideran aquí en parte porque los términos asociados con los transmisores y receptores históricos todavía se usan hoy en día, pero también porque las primeras compensaciones influyeron en las arquitecturas utilizadas hoy en día. Hoy en día, los transmisores y receptores utilizan tecnología DSP, LOs muy estables y sofisticados esquemas de recuperación de reloj. Esto no siempre fue así. Uno de los primeros problemas fue demodular una señal cuando la frecuencia de los osciladores transmisores, es decir, las portadoras, derivó hasta en un 10%. La radio al principio usaba AM y el transportista fue enviado con las bandas laterales portadoras de información. Con esta señal, se pudo utilizar un simple circuito rectificador de un solo diodo conectado a un filtro de paso de banda, pero la recepción fue pobre. Para mejorar el rendimiento fue necesario bloquear un oscilador en el receptor a la portadora y luego amplificar la señal recibida. Aquí se discuten algunos de los esquemas tempranos que abordaron estos problemas. Hubo muchas más variantes, pero la discusión abarca las ideas esenciales.

3.3.1 Receptor Heterodino

El principio de heterodinación mezcla una señal de un solo tono, la LO, con una señal de ancho de banda finito para producir una versión de menor frecuencia de la señal portadora de información. Con la frecuencia LO ajustada apropiadamente, la señal de baja frecuencia estaría en el rango de audio. Si la señal portadora de información es una señal AM, entonces la versión de baja frecuencia de la señal es la señal de audio original, que es la envolvente de la señal AM. Este tipo de receptor se denomina receptor de radiofrecuencia sintonizada (TRF), y el rendimiento depende críticamente de la estabilidad del LO y la selectividad del filtro de recepción. El receptor TRF requería que el usuario ajustara un condensador sintonizable para que, con un inductor fijo, se creara un filtro de paso de banda sintonizable. Dicho filtro tiene un ancho de banda limitado\(Q\) y un ancho de banda que es más ancho que el ancho de banda del canal de radio. \(^{1}\)Peor aún, un usuario tuvo que ajustar tanto la frecuencia del filtro de paso de banda como la frecuencia del LO. Las radios iniciales basadas en este principio se llamaron audiones, utilizaron un tubo de vacío triodo como amplificador, y se utilizaron a partir de 1906. Eran una mejora en los detectores de cristal (que usaban un solo diodo con filtros), pero había necesidad de algo mejor.

3.3.2 Receptor Homodino

Los circuitos homodino [3], sincrodina (para heterodino sincrónico) [4] y autodina (para heterodino automático) fueron necesarios mejoras en el audión y se basan en el circuito regenerativo inventado por Edwin Armstrong en 1912 mientras era estudiante de ingeniería eléctrica en la Universidad de Columbia de la ciudad de Nueva York [5]. El circuito de Armstrong alimentó la señal de entrada a un circuito amplificador y una parte de esta señal se acopló de nuevo al circuito de entrada para que la señal se amplificara una y otra vez. Este es un amplificador de retroalimentación positiva. Una pequeña señal de RF de entrada se amplificó en tal grado que resultó en que el circuito amplificador se volviera no lineal y, en consecuencia, rectificó la señal de RF modulada en amplitud.

Figura\(\PageIndex{1}\): Receptor homodino original de Colebrook: (a) circuito con antena, filtro pasabanda sintonizable y amplificador triodo; y (b) tubo de vacío triodo.

Figura\(\PageIndex{2}\): Oscilador Hartley controlado por voltaje (VCO) de fuente común: (a) con capacitores no lineales; y (b) con diodos que tienen una capacitancia variable cuando están polarizados de manera inversa.

Colebrook utilizó este principio y desarrolló el receptor homodino original que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) (a). Esto sirve para ilustrar el funcionamiento de la familia de receptores regenerativos. La antena que se muestra en el lado izquierdo es parte de un circuito resonante que se encuentra en la trayectoria de retroalimentación de un oscilador de triodo. El tubo de vacío triodo se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\) 3-4 (b). Aquí las bobinas de rejilla (que controlan el flujo de portadores entre el cátodo inferior\(^{2}\) y el ánodo superior) están débilmente acopladas al circuito del ánodo. Cuando aparece una señal de CA en el ánodo superior, la parte dentro de la banda de paso del circuito sintonizado se retroalimenta a la red y la señal se refuerza. Las señales de radio del día eran AM y tenían un portador relativamente grande, por lo que el oscilador se bloqueó en el portador. Las bandas laterales AM se heterodinaron con éxito hasta las frecuencias de audio deseadas.

La autodina trabajó en un principio ligeramente diferente en que la frecuencia de oscilación se sintonizó a una frecuencia ligeramente diferente de la portadora. Aún así, la autodina combinaba las funciones de un oscilador y un detector en el mismo circuito.

3.3.3 Modulador FM

La modulación FM se puede implementar usando un oscilador controlado por voltaje (VCO) con la señal de banda base controlando la frecuencia de un oscilador. Un VCO puede ser un circuito muy simple y así se implementó fácilmente en la radio temprana. Los circuitos de la Figura\(\PageIndex{2}\) se conocen como VCO de Hartley de fuente común, donde en la Figura\(\PageIndex{2}\) (a) los elementos controlables son los condensadores no lineales. Estos se implementan generalmente como diodos polarizados inversos, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\) (b) donde la polarización\(V_{B}\),, cambia la capacitancia de los diodos polarizados inversos. Al cambiar la capacitancia se cambia la frecuencia resonante del bucle de retroalimentación formado por los inductores y las capacitancias de los diodos (llamados varactores).

3.3.4 Desmodulador FM

Un demodulador FM a menudo se implementa usando un bucle de bloqueo de fase con una señal de error utilizada para controlar la frecuencia de un oscilador controlado por voltaje (VCO) con el bucle dispuesto de manera que el VCO rastrea la señal recibida. La señal de banda base deseada, es decir, la señal FM demodulada, es la señal de error del bucle.

3.3.5 Receptor superheterodino

El receptor superheterodino fue inventado por Edwin Armstrong en 1918 [6]. El concepto clave fue heterodinar abajo en dos etapas, usar filtros fijos y usar un LO sintonizable. La antena receptora estaba conectada a un filtro pasabanda que permitía el paso de varios canales. Esto relajó las demandas del filtro de recepción, pero también se podrían construir filtros con mayor selectividad si no necesitaban ser sintonizados. La señal recibida filtrada se mezcla luego con un LO de desplazamiento para producir lo que se llama una señal supersónica, una señal por encima del rango de audio, y de ahí el nombre de esta arquitectura. El rendimiento de la arquitectura de recepción superheterodina (o superhet) se ha logrado recientemente en frecuencias celulares utilizando arquitecturas de conversión directa.

3.3.6 Resumen

La radio temprana usaba modulación AM y FM y tanto la modulación como la demodulación se podían realizar con circuitos muy simples. Sin embargo utilizaron mucho espectro para la información que se transmitió.

Notas al pie

[1]\(Q\) es el factor de calidad y es la relación entre la energía almacenada y la energía perdida resistivamente en cada ciclo. La buena frecuencia selectivamente en un filtro requiere\(Q\) componentes altos.

[2] El cátodo se calienta (no se muestra el circuito calentador) y los electrones se emiten espontáneamente en un proceso llamado emisión termiónica.