Rx Conversion Directa

Teoria y Fundamentos: Receptor de Conversión Directa
Esta nota describe como construir un simple receptor de “conversión directa” para la banda de
radioaficionados de 40 metros. Este receptor puede ser usado para escuchar estaciones de CW y también en
Banda Lateral Única (SSB, fonía) estaciones de radioaficionados y de radiodifusión extranjeras. Cuando se
combine con un transmisor QRP podrás usarlo para hablar con otros radioaficionados.
La principal virtud de este receptor es su simplicidad. El diseño básico es ideal como primer proyecto. Puede
ser alimentado con una batería de 9 voltios. De cualquier forma, una batería de 12V hecha de pequeñas pilas
tipo AA, durará mucho más y se escuchará con mayor volumen en los auriculares.
Analizando las limitaciones de la conversión directa
Tiene una buena sensibilidad y estabilidad. Desgraciadamente, debido a los modernos estándares de
selectividad de los receptores, la selectividad es pobre para recibir CW. Durante las noches, en la banda de
CW de 40 metros, escucharás demasiadas estaciones a la vez y será difícil escuchar una sola estación.
Añadiendo el filtro de audio de 700 Hz descrito al final de este capítulo mejorará notablemente. También, si
tienes una potente estación de radiodifusión de AM cercana, puedes construir un filtro paso bajo para evitar la
interferencia.
Cuando seas capaz de hacer una primera valoración de la selectividad así como la sensibilidad del receptor,
desearás comprar un receptor comercial o empezar a trabajar con un receptor superheterodino. Es posible
conseguir el mismo rendimiento que un receptor superheterodino, pero esto requerirá filtros de audio
superselectivos, canceladores de la frecuencia imagen y otras mejoras. Si estás interesado, ¡adelante!
Debido que estos receptores tienen casi toda su ganancia en el amplificador de audio, se supone que tendrán
tendencia a la microfonía. Es decir, se supone que serán sensibles a las vibraciones. Al tocar un mando o
golpear la mesa, deberías escuchar el golpe amplificado en los altavoces. Yo, en cambio, no observé
microfonía alguna.
Receptores de conversión directa
Un receptor de conversión directa (RCD) tiene cuatro bloques básicos. Un filtro pasa banda, un oscilador de
frecuencia variable por tensión (VFO), un mezclador o “detector de producto” y un amplificador de audio.
La sintonía de un RCD se consigue con un oscilador de frecuencia variable, llamado VFO (variable frequency
oscilator). La señal sinusoidal que genera el VFO es mezclada con las señales de radio entrantes en un
amplificador especial llamado detector de producto. Las señales que oímos por los auriculares son aquellas
que distan de la frecuencia del VFO una frecuencia dentro del rango audible, esto es, entre 20 Hz y 2.5 KHz.
La diferencia de frecuencia la escucharemos como una señal musical , el tono de 700 Hz del código Morse.
La diferencia de frecuencia es filtrada, amplificada y entregada a los auriculares. ¡Sencilla radio!
Considerando las pocas partes que tiene, asombra lo sensible que es. Medí la sensibilidad del mío y descubrí
que podía detectar fácilmente señales de 0.5 micro voltios en 40 metros.
Un receptor de conversión directa detecta ambas bandas laterales a la vez. Desgraciadamente, el detector
de producto mezclador, detecta la banda lateral superior y la inferior simultáneamente. Esto es perfecto para
escuchar estaciones de radio en AM, pero supone una muy mala selectividad en una banda de CW repleta de
estaciones. Un buen receptor para CW debe tener un ancho de banda de 500 Hz o menos. Un receptor simple
de conversión directa tiene un ancho de 10 Khz o más, dependiendo del filtro de audio.
Aunque el filtro es de gran ayuda, el principal problema es que estás escuchando audio de las dos bandas
laterales a la vez. Por ejemplo: supongamos que tienes un filtro de audio muy agudo para tonos entre 600 y
700 Hz. Escuchas una estación de 650 Hz muy bien, pero estarás confundido por una señal que estará a 1,3
Khz en la banda lateral opuesta. Esto es, 2 x 650 Hz = 1,3 Khz. Cuando respondas a un CQ, esta confusión te
pondrá difícil saber en que banda lateral estará escuchando la otra estación, ya que tú lo escuchas por dos
sitios (las dos bandas laterales), pero él sólo te escucha por uno.
Un receptor de conversión directa más sofisticado elimina una banda lateral , mediante el uso de dos
receptores. Una banda lateral es cancelada desplazando la fase de la señal del VFO y desplazando también la
señal de audio resultante, para eliminar una banda lateral. Además de tener que construir dos receptores
simples, debes construir un sofisticado filtro de audio. Personalmente, decidí que la mejor opción era el
receptor superheterodino.
Interferencias de estaciones comerciales de AM
En mi ciudad, tenemos una estación de radio comercial de AM que emite alta potencia durante todo el día.
Conectando un osciloscopio a mi dipolo de 40 metros, observo un pico de 1,75 voltios de RF en el cable,
incluso con una resistencia de 50 Ohms conectada a la antena. Esto representa ¡31 milivatios de potencia!.
Potencia = Voltaje (RMS) al cuadrado / resistencia de carga
Voltaje RMS = Voltaje de pico x 0,707
Potencia = (1,75 x 0,707)2 / 50 = 31 milivatios Las señales de radioaficionados que intentaba escuchar,
quedaban mezcladas entre la tormenta de voltajes procedente de la estación de AM. Aunque podía escuchar
estaciones, de fondo siempre podía escuchar la música rap. ¡Necesitaba un filtro mejor!
En el Handbook de 1986 encontré un buen filtro, funcionó a la primera y rebajo el voltaje en mi antena a 0,15
voltios de pico, sin afectar a las señales de la banda de 40 metros.
El filtro de entrada
El detector de producto tiene unas características ligeramente parecidas al diodo. Esto significa que es
propenso a actuar como una radio de galena y detectar señales fuertes presentes en la antena, que no están
cerca de la frecuencia del VFO. Por consiguiente, las señales que entran por la antena deben ser filtradas
primero para restringir la entrada sólo a señales cercanas a los 7 MHz. Como podrás recordar de tus
experiencias con radios de galena, la selectividad de un simple filtro de entrada LC es muy limitada. Sin
embargo, un simple filtro puede evitar mucho ruido de fondo producido por fuertes señales de estaciones
comerciales de AM y onda corta, que operan cerca de los 7 MHz.
El filtro de entrada consiste en dos circuitos sintonizados LC. La entrada, que viene de la antena, está cableada
como un transformador de RF que adapta la alta impedancia del filtro y la alta impedancia del detector de
producto con la baja impedancia de la antena. Se supone una impedancia de antena aproximada a los 50
Ohmios, típica de un dipolo con bajada de cable coaxial. El transformador eleva diez veces el voltaje de RF
usando una relación de vueltas 1:10. Si el receptor se fuera a usar con la alta impedancia de un cable largo o
una antena de látigo, el terminal de entrada se conectaría directamente al trimer utilizando un pequeño
condensador de bloqueo.
Al escuchar señales de telegrafía en 40 metros ajustaremos el trimer hasta que estas se oigan más fuertes y
desaparezca el ruido producido por las estaciones de fonía. Si este filtro no es suficiente para eliminar las
señales de las estaciones locales de AM, utilizaríamos el filtro pasa altos que se describe más adelante en este
capítulo.
El filtro de entrada también puede incluir un amplificador de RF. Sin embargo, seguramente no será muy útil
en 40 metros debido a que el ruido atmosférico por debajo de los 20 metros es muy molesto. Por el contrario,
si quisiéramos construir un receptor para 20 metros o bandas más altas, el amplificador de RF mejoraría la
sensibilidad. Los amplificadores de RF de entrada serán descritos en el capítulo 13.
El Oscilador sintonizado de RF (VFO)
El circuito inferior muestra un oscilador sintonizado también llamado oscilador de frecuencia variable (en
inglés VFO). Como se muestra, los valores de bobina y condensador sintonizan la banda de 40 metros, y las
bandas de onda corta por encima y por debajo de los 7 MHz. El circuito es un oscilador sintonizable,
comparable en sus funciones al oscilador controlado a cristal del transmisor QRP visto en el capítulo 6. En
lugar de un cristal de cuarzo, el control de la frecuencia lo tiene un circuito LC sintonizable, con un ancho de
algunos cientos de KHz. Este VFO es demasiado basto para controlar la frecuencia de un transmisor. Patinará
mucho y la gente no querrá contactar contigo debido a tu inestable señal. Sin embargo, como estas
escuchando 1 KHz de audio a la vez, el desplazamiento de 100 Hz es muy poco significativo. En el capítulo
10 veremos como fortalecer el VFO para utilizarlo en transmisión.
El Detector de Producto
Este amplifica y mezcla la señal del VFO con la señal que viene de la antena. La mezcla resultante es
amplificada y mandada hacia el amplificador de audio. La componente de audio es la unica señal que sale del
mezclador, es la diferencia de las radio señales entrantes, y esta es la que el amplificador mandará a los
auriculares.
El Amplificador de Audio
Consta de un simple LM 387 (que es un doble amplificador operacional de bajo ruido). Su ganancia es
aproximadamente 45 dB y es capaz de excitar directamente a un amplificador de potencia tipo LM 380 o
LM 386. Desde luego que entre el amplificador de potencia y este habrá que colocar el filtro pasabanda,
que habitualmente se diseña para ganancia unitaria.
El Filtro de Audio
Diseñé el filtro con operacionales para tener una pequeña cantidad de amplificación. Desgraciadamente, con
el tiempo, coloqué cuatro en serie y con ello tenía más ganancia que con una sola etapa. Por ello, la salida de
mi filtro va a la entrada del segundo amplificador de audio. Si la conectara al primer amplificador de audio,
este recibiría mucha señal y se volvería inestable. Podría puentear el segundo amplificador , pero perdería el
control automático de ganancia (CAG). Como vemos en el diagrama de bloques de mi receptor, un
conmutador de dos circuitos sustituye el filtro por el primer amplificador de audio.
Filtro de audio para CW de 700 Hz, porque necesitas uno:
Muchos radioaficionados utilizan transceptores que automáticamente escuchan 700 Hz por encima o por
debajo de su frecuencia de transmisión. Este desplazamiento es ajustable, pero siempre entre 500 y 1000 Hz.
Por convenio, en las bandas de HF por encima de 30 metros, los radioaficionados escuchan por encima de la
frecuencia de transmisión. De 40 metros para abajo, el desplazamiento es por debajo de la frecuencia de
transmisión. Este convenio tiene su origen en el método usado hace 40 años para generar la banda lateral
única. El viejo diseño de banda lateral única ya no se utiliza, pero el convenio se mantiene. La única
excepción es la nueva banda de 60 metros, en la que se utiliza la banda lateral superior (USB).
En resumen, cuando intentas contestar a un colega llamando CQ, debes asegurarte que estas escuchando la
misma banda lateral que él. En un receptor de conversión directa escuchas la señal telegráfica por encima y
por debajo de la frecuencia de transmisión. Si ajustas el batido en la banda lateral equivocada, transmitirás 1,4
Khz (2 x 700 Hz) más lejos de donde está escuchando el otro, con lo cual nunca te oirá.
Por ejemplo, en 40 metros, sintonizando la banda hacía arriba, escucharías primero el código Morse en el lado
de debajo de la frecuencia de transmisión. Esta es la banda lateral inferior (LSB). Si seguimos para arriba, la
señal va bajando de tono hasta que desaparece, para seguir sonando después, primero en un tono bajo y
subiendo de tono conforma vamos sintonizando la banda. Cuando lleguemos al mismo tono de la LSB
estaremos en la banda lateral superior (USB).
Si deseas contestar a un CQ de otro colega, escucha la banda lateral inferior (en este caso, 40 metros). Ahora
pulsa el botón de anuncio (“spot”) y sintoniza el trimer de tu transistor hasta que los dos tonos sean iguales.
Si tienes un oído musical podrás acoplar los dos tonos con más facilidad. Resumiendo, buscando un CQ en la
banda de 40 metros, sintonizas hacia arriba la banda. Para poner tu transmisor en la frecuencia de un CQ al
que vas a responder, con el botón “spot” ajustaríamos el transmisor hacia abajo.
Los equipos ultramodernos utilizan en recepción unos filtros de audio exquisitamente estrechos. Por ello,
mucha gente sólo te escuchará si el tono de transmisión no se diferencia mucho (200 Hz como mucho) de su
frecuencia de recepción. Incluso con filtros digitales se puede reducir este margen a unos pocos Hercios.
Un filtro de audio analógico
Si dispusiéramos de componentes ideales, la mejor forma de construir un filtro analógico de audio sería
utilizando bobinas y condensadores como si se tratara de un filtro de RF. Podríamos incluso imaginar que
existen cristales para frecuencias de audio para construir filtro super precisos.
Desgraciadamente, en la realidad, estos componentes no existen. A estas frecuencias tan bajas, las bobinas
serían grandes y caras. En la practica se utilizan resistencias y condensadores. Estas redes RC no resuenan,
pero atenúan unas frecuencias más que otras. Un condensador grande carga más lentamente que uno pequeño.
Al combinarlo con una resistencia tenemos un filtro que atenúa bien altas frecuencias o bien bajas frecuencias.
Filtro Pasa Bajo
Como hemos visto arriba, con una simple resistencia y un condensador tenemos un filtro pasa bajos cuando
cogemos la señal del condensador. Si el condensador es grande, las frecuencias altas quedarán
cortocircuitadas a masa. Recuerda, el voltaje a través del condensador no puede cambiar instantáneamente.
Por el contrario, un condensador pequeño será insignificante para las bajas frecuencias que tienen tiempo
suficiente para cargar el condensador durante cada semiciclo. La resistencia carga el circuito y la corriente
circula hacia el condensador. De manera similar, durante el próximo semiciclo, la resistencia tendrá una
resistencia suficientemente baja para descargar completamente el condensador y dejarlo listo para el siguiente
semiciclo.
Filtro Pasa Alto
Cuando se invierten la resistencia y el condensador y la salida se coge de la resistencia, el filtro RC se
convierte en un filtro pasa altos. Las altas frecuencias pasan a través de un condensador como si no estuviera
allí. El condensador se asemeja a un cable sin caída de voltaje en sus extremos. A altas frecuencia no hay
tiempo para cargar. A bajas frecuencias la carga del condensador se completa y la caída de voltaje en los
extremos del condensador alcanza el voltaje total de la señal de entrada. Estos filtros RC tienen una frecuencia
particular llamada punto de ruptura en donde el condensador se vuelve insignificante. Un solo filtro RC
atenúa el voltaje de la señal 10 veces (20 dB) para un desplazamiento en frecuencia de 10 veces desde el
punto de ruptura.
Compensar la atenuación
El problema de los filtros RC es que la resistencia atenúa todas las frecuencias, no sólo las que queremos. Sin
embargo, si combinamos la red RC con un amplificador de audio lineal, podemos compensar la atenuación.
Amplificando la salida, restauramos la fuerza de la señal, en las frecuencias deseadas, a su valor original.
Filtro Pasa Banda = Red RC más amplificador
Para construir un filtro pasa banda necesitamos combinar un filtro pasa bajo con un filtro pasa alto y
amplificar el resultado. El circuito de abajo es un filtro de audio de una sola etapa RC, que acentúa los tonos
de 700 Hz y atenúa, más o menos, los tonos por encima de 800 Hz y por debajo de 600 Hz.
En este filtro, las R y los C no están colocados como esperarías. Sin embargo, si analizas cuidadosamente
como pasan las señales a su través, trabajan igual como en los circuitos separados descritos anteriormente. Es
decir, atenúa las frecuencias por encima y por debajo de 700 Hz sin afectar relativamente a estos. La red RC
de entrada (2Kohm y 0,15 µF) atenúa las bajas frecuencias, ya que no pueden atravesar el condensador. Por
ello, la red de entrada es un filtro pasa altos.
Observa que la resistencia de 6K2 y el condensador de 0.02 µF están conectados entre la entrada y la salida
del amplificador lineal. Esta red de realimentación es el filtro pasa bajo. Esta combinación de componentes
tiende a cortocircuitar el amplificador y atenuar todo por encima de 700 Hz. El pequeño condensador de 0.02
µF afecta poco a las bajas frecuencias, ya que se carga instantáneamente. Sin embargo, para altas frecuencias
este condensador de 0.02 µF carga lentamente respecto a la velocidad de los ciclos de la señal. Entre cada
semiciclo, la resistencia de 6K2 tiene la resistencia adecuada para permitir la descarga del condensador de
0.02 µF, de manera que la red queda lista para el siguiente semiciclo.
Esta gráfica muestra la respuesta del filtro de una etapa. Como puedes ver, el filtro es muy suave. Para que el
voltaje de la señal quede atenuado 10 veces (20 dB) la frecuencia debe estar por debajo de 38 Hz o por encima
de 19 KHz. Para ser sinceros, esto no ayuda mucho. Puede quitar algo del molesto ruido de alta frecuencia por
estática, pero no será nada útil contra el QRM (interferencias de otras estaciones).
Un filtro más preciso puede conseguirse colocando varios filtros en serie. La gráfica de abajo muestra uno
hecho con cuatro filtros en serie. Es una gran mejora y ayuda a escuchar una sola estación a la vez. También
elimina el ruido de estática y hace la escucha menos cansada.
Diseñando el filtro
Podemos construir filtros que trabajen igual que la gráfica anterior, utilizando amplificadores lineales de audio
a transistores. Aquí tenemos un filtro de 700 Hz de una etapa:
Amplificadores Operacionales- amplificadores “perfectos”
Observa el gran condensador de bloqueo necesario para evitar que varíe la polarización para clase A del
amplificador. Normalmente, no se construyen filtros de audio usando componentes discretos. En su lugar se
utilizan circuitos integrados con amplificadores operacionales. Siendo compulsivo, pensé en todo el cableado
de todas esas resistencias de polarización y condensadores y decidí, ¡qué diablos! Voy a probar los
amplificadores de audio, ¡voy a utilizar un circuito integrado cuádruple operacional!.
Los operacionales son circuitos integrados que contienen de 12 a 30 transistores y resistencias en una red que
produce un amplificador ideal o “perfecto”. ¿Cuánta ganancia puedo conseguir con un amplificador
“perfecto”?. La respuesta es que la ganancia puede ser infinita y se utiliza una realimentación para ajustar la
ganancia al valor que desees. Sin embargo, en la realidad, los amplificadores operacionales tienen una
ganancia cercana al infinito y una impedancia de entrada cercana al infinito.
Normalmente, hay en de dos a cuatro operacionales en un integrado. El símbolo para representar al
operacional es un triángulo. Con un terminal de salida y dos de entrada. Un voltaje positivo en la entrada
positiva produce una subida de la tensión de salida. Por el contrario, un voltaje positivo en la entrada negativa
produce un descenso en la tensión de salida. Mediante la realimentación, el operacional intentará ajustar su
voltaje de salida hasta que se igualen los voltajes de las dos entradas. Si la realimentación es insuficiente para
producir el equilibrio, la salida llegará al valor de la tensión de alimentación o al de masa, según lo que suceda
primero.
Para polarizar un operacional de manera que la onda alcance de cero a 12 voltios, el amplificador debe tener
una línea base a la tensión mitad. En este caso, el nivel de descanso debe estar en 6 voltios. En el filtro de
abajo, la entrada positiva está conectada a un voltaje de 6 voltios, hecho con un divisor de tensión.
La solución digital al filtrado de audio
Actualmente, los filtros con operacionales están pasados de moda. La opción moderna para construir filtros de
audio es el filtrado digital. Básicamente, consta de un microprocesador programado para medir el ancho de
ondas individualmente. Por ejemplo, una onda de 700 Hz tiene un ciclo de 1,43 milisegundos. El filtro digital
mide la altura y los anchos de los ciclos de la señal. Si los ciclos son de la longitud deseada, el filtro
reconstituye la onda, y toda onda que sea más corta o más larga es ignorada. Para conseguir la representación
más exacta de la onda original se utilizan algoritmos matemáticos de integración. En la práctica, un filtro
digital pasabanda de un solo Hercio es fácil de construir, pero es difícil sintonizarlo con el mando de tu VFO.
Por ello, el paso de banda de un filtro digital suele ser ajustable. Cuando el ancho es bastante ancho, por
ejemplo 200 Hz, la sintonización no es complicada. Sin embargo, la precisión de un filtro digital, puede ser
tan selectiva como desees.
Construcción mecánica
Construí mi receptor en una caja hecha con trozos de placa de circuito impreso soldadas. Es el mismo tipo de
construcción descrito en el capítulo 6. Los latiguillos de cable coaxial RG-174 conectan el filtro opcional de
700 Hz que describiremos posteriormente. Sólo un extremo de la malla debe estar soldada a masa, para que
cumpla su función de evitar que se induzca RF.
El mando de sintonía debe ser mecánico del tipo vernier para que cubra toda la banda de 40 metros y sea fácil
sintonizar las señales. Alternativamente, se puede utilizar un pequeño condensador variable, de 1 a 10 pF. De
esta manera, la mayor parte de los 180 grados de rotación útil se dedicará para la banda de CW . Otra solución
es utilizar dos condensadores variables en paralelo, el grande sintonizaría la banda entera y el pequeño,
conectado en paralelo sería para el ajuste fino.
La alimentación del receptor
El receptor funcionará bien con 9 voltios y 10 miliamperios. Sin embargo, cuando el voltaje baja por debajo
de 8 voltios, el volumen y la sensibilidad caen bruscamente. Por tanto, si utilizas pequeñas pilas alcalinas
funcionará bien durante 1/3 de la vida útil de las pilas.
Para conseguir el máximo de las pilas alcalinas, necesitas que sea capaz de funcionar, incluso por debajo de
2/3 del voltaje inicial, por ello el receptor tendría que funcionar bien con menos de 6 voltios. Yo recomiendo
fabricarse una batería de 12 voltios con pilas AA. Algunas compañías venden soportes de batería para 6 u 8
pilas, consiguiendo 9 o 12 voltios. Si estas usando el transmisor QRP descrito en el capítulo anterior, puedes
alimentar el receptor de la misma fuente de alimentación.
Escuchando el VFO
Al utilizar el receptor con mi transmisor, me di cuenta que escuchaba el VFO de mi transmisor sobre las
estaciones que quería llamar. Para observar esto, cogí un trozo de cable coaxial e improvisé un conector de
señal VFO en la caja débilmente acoplado al transmisor. El receptor no tenía conexión directa al VFO. Con un
pequeño cable en este conector, tenemos una antena que transmite la débil señal del VFO.
Concluyendo
El diagrama de bloques anterior muestra el receptor que construí. Monté el filtro contra interferencias
comerciales de la banda de AM en una caja aparte, para poderlo utilizar con otros receptores. Con el
conmutador conecto el filtro de 700 Hz cuando lo necesito. Si lo utilizas en fonía de banda lateral, eliminarás
mucho ruido, pero la calidad de la voz será muy pobre. Las estaciones de AM pueden ser sintonizadas, pero se
escuchará un obvio pitido. Este pitido se produce porque las emisiones en AM incluyen una portadora fija
comparable a la señal de telegrafía. Para deshacerse del pitido, debes colocar el VFO de manera que no haya
frecuencia de audio de diferencia entre la portadora y tu VFO. Cuando consigues esto, el pitido desaparece y
escuchas el audio de la banda lateral.
¿Así? ¿Has conseguido que funcione el receptor? Si estuviéramos en el año 1935, todos tus amigos de radio
tendrían celos de tu capacidad. Desgraciadamente, para los tiempos modernos es una especie de juego. Es
adecuado para la escucha de onda corta y para CW mediante un operador experimentado. Yo lo he usado con
el transmisor del capítulo 6 para hablar con amigos de otros estados. Espero que esto me haga convertirme en
un experimentado operador. Los novatos lo pueden utilizar siempre que la banda no esté muy llena, ya que
tiene mucha sensibilidad pero poca selectividad.