Receptores
Un receptor de 200 kHz con 6 dB de figura de ruido oye hasta −105 dBm, pero dos vecinas de −45 dBm ya le llenan el canal de intermodulación. El rango dinámico está entre esos dos números.
01El receptor superheterodino y sus sucesores
Un receptor tiene que encontrar una señal débil entre otras mucho más fuertes. El superheterodino, inventado por Edwin Armstrong en 1918, lo resuelve con un mezclador que traslada cada canal a una frecuencia intermedia fija, donde un filtro selectivo y un amplificador con control automático de ganancia hacen el trabajo. Los receptores integrados actuales usan también la conversión directa, que baja el canal a banda base con un demodulador I/Q, o la de FI baja, y hacen el filtrado de canal en forma digital. Cualquiera sea la arquitectura, tres cifras lo describen: la sensibilidad, la selectividad y el rango dinámico.
02Sensibilidad
La señal más débil que el receptor puede demodular con la calidad pedida está fijada por el ruido térmico, el ancho de banda y la figura de ruido de la cadena, calculada con la fórmula de Friis de la introducción de Sistemas de Comunicaciones:
03Rango dinámico e intermodulación
Por arriba, el límite lo ponen las señales fuertes. Dos señales en canales vecinos generan productos de intermodulación de tercer orden que pueden caer sobre el canal deseado. Referidos a la entrada, crecen 3 dB por cada dB de las señales, y la recta corta a la de la fundamental en el punto de intercepción de entrada IIP3. El rango dinámico libre de espurias es la diferencia entre la señal más fuerte que no produce intermodulación visible sobre el piso y ese piso:
Todo referido a la entrada del receptor. La recta azul es la señal; la roja, el producto de intermodulación de tercer orden con dos tonos del mismo nivel; la línea gris, el piso de ruido. El rango dinámico libre de espurias va del piso al nivel en que la intermodulación lo alcanza.
04Selectividad y bloqueo
La selectividad es la capacidad de rechazar un canal adyacente fuerte, y la dan los filtros de FI o los digitales. Pero una señal muy fuerte puede molestar aunque el filtro la rechace: comprime el amplificador de entrada (bloqueo), o se mezcla con el ruido de fase del oscilador local y lo traslada sobre el canal deseado (mezcla recíproca). Por eso el ruido de fase de los osciladores es una especificación del receptor.
05En el laboratorio
Medir la sensibilidad de un receptor de FM bajando el nivel de un generador hasta que la relación señal a ruido de audio cae a 12 dB SINAD, y compararla con la calculada.
Aplicar dos tonos fuera del canal cuyo producto de tercer orden caiga en el canal, y medir el nivel que lo hace audible. Calcular IIP3.
Con una señal deseada cerca de la sensibilidad, subir una señal a 1 MHz de distancia hasta que la deseada se degrade 3 dB.
06Errores frecuentes
- Maximizar la ganancia de entrada. Mejora la figura de ruido, pero empeora la linealidad de todo el receptor.
- Olvidar el ancho de banda en la sensibilidad. Un canal diez veces más ancho tiene un piso 10 dB más alto.
- Ignorar el ruido de fase del oscilador local. Con señales fuertes vecinas, la mezcla recíproca tapa la débil.
- Confundir IIP3 con OIP3. Difieren en la ganancia de la cadena.
07Autoevaluación
¿Qué piso de ruido tiene un receptor de 1 MHz de ancho de banda y 3 dB de figura de ruido?
\( -174 + 60 + 3 = -111 \) dBm.
Con ese piso e IIP3 = −5 dBm, ¿cuál es el SFDR?
\( \tfrac23 (-5 + 111) \approx 70{,}7 \) dB.
¿Qué es la mezcla recíproca?
La traslación del ruido de fase del oscilador local sobre el canal deseado, por efecto de una señal fuerte vecina.
¿Qué ventaja tiene la conversión directa?
No tiene frecuencia imagen y se integra fácilmente, con el filtrado de canal en banda base.
08Para ampliar
- Behzad Razavi. RF Microelectronics. 2.ª ed., Prentice Hall, 2011. Las arquitecturas de receptor, la sensibilidad y el rango dinámico.
- Kevin McClaning. Wireless Receiver Design for Digital Communications. 2.ª ed., SciTech, 2012. El diseño de la cadena de recepción con sus presupuestos de ruido y linealidad.
- Ulrich L. Rohde y Jerry C. Whitaker. Communications Receivers: DSP, Software Radios, and Design. 3.ª ed., McGraw-Hill, 2001. La referencia clásica sobre receptores, del superheterodino a la radio definida por software.