El Receptor Superheterodino

¿Sabías que el inventor del receptor regenerativo, del receptor superheterodino y de la frecuencia modulada terminó su vida en la bancarrota total, demente y arrojándose desde un piso 13? ¿Tampoco sabes lo que es un receptor superheterodino? Ven con nosotros, descubre cómo funciona esta tecnología que dio vida pública a una actividad científica que no encontraba aplicaciones comerciales redituables. La radio ya estaba inventada hacía mucho tiempo, pero tenía que dejar de ser un medio de comunicación para convertirse en un medio de entretenimiento masivo. Edwin H. Armstrong lo hizo posible. Artículo de colección.

Si el nombre de Edwin H. Armstrong te trae a la mente a un ciclista, a un trompetista, a un astronauta o a una unidad de medida, es porque aún no has conocido la verdadera historia de uno de los investigadores e inventores más increíbles de la  historia de la radio. En las primeras décadas del siglo XX, la radio de amplitud modulada crecía en cantidad de oyentes alrededor de todo el mundo. Este método de transmisión utiliza una señal de alta frecuencia (portadora) para llevar montada sobre sí una información de audio que en el receptor es recuperada y escuchada. Por aquellos años los receptores no eran de gran calidad tanto en sensibilidad (capacidad para recibir señales débiles) como en selectividad (que muchas emisoras puedan compartir el dial). Armstrong llegaría al mundo de la radio para resolver este inconveniente.

En otoño de 1912, y siendo aún un joven estudiante de la Universidad de Columbia, Armstrong presentó ante la comunidad científica uno de los receptores construidos por él mismo, con una enorme capacidad de amplificación y selectividad. Este fenómeno se lograba gracias a una realimentación especial de las señales dentro del circuito que convertían su funcionamiento en un oscilador capaz de recibir ondas de radio muy débiles y amplificarlas en gran magnitud. Armstrong lo llamó receptor regenerativo y lo patentó en 1914. Este tipo de equipo superó a todos los conocidos hasta ese momento, haciendo posible la escucha de emisoras a grandes distancias. Con esta ventaja permitía a los publicistas llegar a un mayor número de clientes potenciales. El negocio comenzaba a dejar sus frutos. Luego, en 1922, logra la patente de un circuito, una versión mejorada del anterior: lo llamó super-regenerativo. La radio comenzaba a llegar a todos los hogares del mundo y el negocio no paraba de crecer.

Unos pocos años antes, en 1918, había comenzado con el estudio y los trámites de patentes de un sistema que sería el dominador y rey absoluto de los receptores que poblaron y existen hoy en el hogar de cada habitante del planeta: el receptor superheterodino. Una radio de AM, de FM, un televisor, un teléfono inalámbrico, un teléfono móvil, la unidad wi-fi de tu ordenador móvil, es decir, todo, absolutamente todo lo que utilice ondas de radio hoy es recibido por equipos superheterodinos. ¿Cómo funciona esta maravilla que no ha podido ser destronada, a pesar de los incontables avances de la ciencia en casi 100 años? Muy sencillo, imagina esta idea en tu mente: en telecomunicaciones, heterodinar significa generar una frecuencia a partir de la mezcla de otras dos. Es decir, dos señales con frecuencias definidas se mezclan y generan una resultante que luego es procesada de manera adecuada. A esto se le llama heterodinar: mezclar frecuencias y obtener una tercera señal con resultados útiles.

Un receptor super-heterodino se diferencia de un heterodino común gracias a una serie de mejoras (que ahora no son importantes de profundizar) como un amplificador de RF de entrada, un circuito de AGC y otras etapas que optimizan el funcionamiento. Lo que importa ahora es ver y comprender que la señal que viene sobre su correspondiente frecuencia y que ingresa por la antena de un receptor puede mezclarse con otra señal generada dentro del receptor (de una frecuencia diferente) y brindarnos una tercera frecuencia que conserve la información útil que trae la primera. ¿Qué logramos con este tipo de receptores? Por sobre todas las cosas: selectividad. No podemos dejar de mencionar una notable mejoría en sensibilidad, pero la mejor de las características que se logra es la selectividad. Observa el siguiente gráfico:

Todas las frecuencias de todos los sistemas que utilizan las ondas de radio para transportar información llegan a las antenas de nuestros receptores. El amplificador de RF (radiofrecuencia) inicial se encarga de “seleccionar” sólo una porción que pueda interesarnos. Por ejemplo: en un receptor de FM, dejará pasar la porción comprendida entre los 80Mhz y los 110Mhz para luego permitir que escuchemos con comodidad la banda de 88Mhz – 108Mhz. Para el caso de la banda de AM, dejará ingresar la banda que se extiende entre los 500Khz y los 1800Khz. para que podamos recibir las emisiones entre 550 y 1750Khz. Así, el amplificador de RF nos “pre-selecciona” lo que deseamos escuchar, rechazando todo lo demás que esté ahí afuera sobre nuestra antena.

El oscilador local es un circuito interno del receptor que se puede operar desde un control manual o desde un control sintetizado (PLL) y está encargado de generar una frecuencia que sea capaz de “mezclarse” con las que nos ha dejado pasar el amplificador de RF. Una frecuencia única generada por el oscilador local generará múltiples frecuencias a la salida del mezclador. Si tomamos como ejemplo la banda de FM, para una frecuencia de oscilador local de 106.8Mhz, obtendremos muchas frecuencias a la salida de nuestro mezclador y todas ingresarán al amplificador de frecuencia intermedia. Pero por la mezcla, y gracias a la selectividad del canal de frecuencia intermedia sintonizado a 10.7Mhz., sólo escucharemos la frecuencia 96.1Mhz., no otra. Las demás serán rechazadas y anuladas por la correcta sintonía del sistema. Analicemos la siguiente imagen:

Cuando el canal de frecuencia intermedia está bien calibrado y ajustado a una única banda o frecuencia pasante se logra la selectividad deseada, se posibilita el rechazo a frecuencias que no coinciden con el canal de paso (ecuaciones en color rojo) y se obtiene como resultado una única frecuencia para procesar y extraer de ella la información útil que deseamos recuperar, información que fue incorporada a la portadora (en la caso del ejemplo visto) de 96.1Mhz. Todos los demás resultados de la mezcla serán rechazados y eliminados por el canal de frecuencia intermedia.

En etapas posteriores, la señal recuperada (de 10.7Mhz. según nuestro ejemplo) es interpretada, decodificada o demodulada. Esto significa que se utilizan circuitos específicos para obtener la señal original enviada desde el transmisor. Finalmente la información útil es mostrada en imagen, amplificada en audio, traducida a datos, etc. Sin duda alguna, estamos ante el desarrollo de una idea magnífica y de un principio de funcionamiento que no ha podido ser superado en casi 100 años. Si seguimos avanzando hacia la obtención de una señal con alta “selectividad”, es decir, que ocupe un ancho de canal muy estrecho, debemos acudir a sistemas de doble, triple, cuádruple y hasta múltiples conversiones. ¿A qué le llamamos conversiones? A cada proceso de mezcla, a cada proceso de heterodinar señales. Estos sistemas más elaborados y de mayor complejidad constructiva incluyen otras etapas tales como los controles automáticos de ganancia e indicadores de nivel de señal recibida.

El Control Automático de Ganancia (CAG o AGC) se encarga de “escuchar y analizar” las amplitudes con que llegan las emisiones a nuestro receptor y su función es la de controlar los niveles de amplificación de las etapas iniciales de RF y de frecuencia intermedia de un receptor. Es decir, cuando a la antena llegan señales muy intensas, el CAG envía la indicación de amplificar lo menos posible para no saturar los circuitos de frecuencia intermedia y evitar distorsiones indeseables. Por otro lado, cuando las señales son muy débiles, se encarga de que los circuitos trabajen a la máxima amplificación necesaria para lograr un nivel de audición semejante tanto para emisoras lejanas y débiles como cercanas y potentes. Por último, el indicador de señal, también conocido como S-Meter en comunicaciones (Signal Meter), dará una indicación visual muy sencilla de percibir por el usuario. Le ofrecerá una idea de la intensidad de llegada de la señal de radio a nuestro receptor. No todos los receptores traen un indicador de intensidad de señal de recepción, a pesar de que este instrumento es una referencia muy útil para el usuario.

Todos los conceptos mencionados hasta aquí son válidos, como mencionamos antes, para receptores de AM, de FM, de TV, de Satélites, de Wi-Fi, de Bluetooth y todo lo que tenga que ver con las “ondas Hertzianas”. Lo que cambia de un tipo de receptor a otro es la cantidad de unidades de conversión de frecuencias y los métodos para rescatar la información obtenida al final de la última etapa de frecuencia intermedia. Los pasos previos pueden cambiar en mínimos detalles, pero en la arquitectura básica todos los receptores son iguales al momento de capturar una señal en su toma de antena y procesarla hasta sus pasos de demodulación. Observa el diagrama en bloques de un teléfono móvil. Lo que está recuadrado en rojo es lo que trata este artículo: el receptor superheterodino. Allí puedes ver claramente el amplificador de entrada, los osciladores locales (VCO), los mezcladores (Mixer) y la etapa de demodulación digital. El indicador de intensidad de señal está incluido en la parte del procesamiento digital de la señal, y en nuestro teléfono móvil lo vemos en el display (LCD Panel).

Hasta aquí hemos visto la explicación de cómo funciona un receptor superheterodino. Hemos visto que de esta clase de equipos estamos rodeados por donde miremos. Queremos remarcarte en el final de este artículo la importancia de tener un indicador de intensidad de señal. El equipo puede tener la complejidad o la sencillez que el fabricante haya preferido, pero lo más importante para nuestro próximo desarrollo, o sea para el montaje del año, será esa funcionalidad: desarrollar un receptor superheterodino que posea un indicador de señal, un S-Meter, o también conocido como RSSI (Received Strength Signal Indicator). Pero antes, necesitábamos que supieras hasta dónde llega (y llegará por muchos años) el trabajo de un hombre sencillo y  a la vez una mente brillante.

Edwin H. Armstrong (por si todo lo que te contamos te resultó poco) también advirtió los desagradables ruidos que ocasionaban las descargas atmosféricas en los receptores de AM de aquella época. Fiel a su estilo de inventor y generador de desarrollos increíbles, en 1933 presentó en sociedad un trabajo que revolucionaría para siempre la manera de escuchar radio: la frecuencia modulada. La mala suerte hizo que este proyecto se viera anulado por completo debido a la profunda depresión económica que sufría por aquellos años Estados Unidos. La construcción de nuevos transmisores y receptores en una sociedad que apenas tenía para comer y satisfacer sus necesidades elementales hizo que este genial trabajo no tuviera un feliz recibimiento. Luego, cuando la economía floreció, las grandes industrias del sector (RCA, Westinhouse y AT&T) entraron en pleito judicial con Armstrong a quien le arrebataron las patentes de sus invenciones. Sumido en una gran depresión mezclada con la demencia y una bancarrota total, decide suicidarse arrojándose por el balcón del edificio donde habitaba el 31 de enero de 1954, en Nueva York.

Alexander Graham Bell, Nikola Tesla y Guillermo Marconi son los nombres famosos a quienes se los considera “los padres de la radio”. Sin embargo, es bueno que te informes bien y aprendas que, sin personas como Edwin H. Armstrong, los anteriores apellidos hubieran sido sencillos personajes que habrían dedicado su vida al estudio de las ondas electromagnéticas y al desarrollo de una radio sólo aprovechada por unos pocos. Armstrong acercó el fenómeno de la radio a la gente y eso lo transformó en uno de los grandes inventores según la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones). ¿No lo conocías? Ya sabes algo nuevo.