Receptor Multibanda NeoTeo – Parte I

Cuando hablamos de un receptor que pueda ser capaz de escuchar en muchas bandas, pensamos inmediatamente en equipos de varios cientos o miles de Euros y de muy difícil obtención. Sin embargo, con aplicaciones que ya hemos visto y realizado en NeoTeo y con materiales muy sencillos de obtener, podemos construir un receptor muy económico que pueda brindarnos mucha experiencia, conocimientos y, por sobre todo, muchas horas de entretenimiento. Escribir en pocas líneas todas las posibilidades que tendrás al construir este proyecto sería imposible. Pero la más interesante, y a la cual apuntaremos como conclusión del artículo, será la realización de un sencillo pero muy útil Analizador de Espectro para VHF y UHF. ¿Te lo vas a perder?

Podríamos escribir muchas hojas contándote la historia de la radio y de la inmensidad de aplicaciones que hoy en día tiene esta rama de la ciencia y la tecnología. Desde Samuel Morse hasta el sistema Wi-Fi que utilizas para enlazar tu ordenador portátil a la Web, todo siempre ha pasado por las ondas de radio. Tu teléfono móvil, tus auriculares con conexión Bluetooth, la TDT (Televisión Digital Terrestre), los satélites, el radar y un gran universo que te rodea utilizan para comunicarse las ondas hertzianas, las ondas de radio. Pero no perdamos el tiempo en preámbulos y veamos qué es lo que vamos a realizar y cuáles son los logros que perseguimos en este ambicioso emprendimiento.

La etapa inicial de cualquier proyecto consiste en la reunión de los materiales a utilizar y su correspondiente compra o adquisición. Como vamos a trabajar en varias etapas, lo primordial será entonces definir los materiales que serán comunes a todas las aplicaciones y sobre ellos pondremos especial atención para que no existan errores al comprarlos o al buscarlos. Vayamos entonces a ver qué queremos hacer y cuáles son las partes fundamentales del desarrollo y las opciones que tenemos.

La imagen superior es muy sencilla de interpretar: posee bloques muy definidos que te serán muy fáciles de comprender. Como su nombre lo indica, el Amplificador de RF, que se encuentra inmediatamente después de la Antena, sirve para incrementar el nivel de la señal existente en el aire de la señal que intentamos recibir y para adecuarla a los valores de operación que requieren las etapas posteriores. Un ejemplo muy práctico, sencillo y abundante es la señal de las emisoras de frecuencia modulada comprendidas en el espectro de los 88-108 Mhz. Estas señales presentes en antena serán amplificadas en una proporción correcta para su procesamiento posterior.

El Oscilador Local es un oscilador controlado encargado de generar una señal de una frecuencia mayor a la que queremos introducir en el receptor. ¿Cuánto mayor? El valor de la frecuencia de paso que tenga el canal (valga la redundancia) Amplificador de Frecuencia Intermedia. Pequeños ejemplos: En la FM comercial se utiliza un canal de frecuencia intermedia de 10,7 Mhz. Por lo tanto, para poder recibir una señal de 100,5 Mhz., el oscilador local entregará una señal de 100,5 + 10,7 = 111,2 Mhz. Así, dentro del mezclador, se produce una suma algebraica de señales que resultan ser:

111,2 Mhz + 100,5 Mhz = 211,7 Mhz
112,2 Mhz – 100,5 Mhz = 10,7 Mhz

Como el amplificador de frecuencia intermedia estará sintonizado a 10,7 Mhz., rechazará la señal suma de 211,7 Mhz y dejará pasar la señal resta de 10,7Mhz, amplificándola para su posterior demodulación. Si, en cambio, queremos sintonizar en 88,3 Mhz., el oscilador local deberá trabajar a 99 Mhz para entregarnos a la salida del mezclador la siempre constante frecuencia intermedia de 10,7 Mhz.

99 Mhz + 88,3 Mhz = 187,3 Mhz
99 Mhz – 88,3 Mhz = 10,7 Mhz

Debes tener en claro que no importa si estamos hablando de AM, de FM, de canales de TV o de la comunicación de un submarino atómico. Lo verdaderamente importante y conceptual es que comprendas que la señal que ingresa por la antena se suma en forma algebraica con la del oscilador local y el resultado es selectivamente amplificado por el canal de frecuencia intermedia.

Luego, el demodulador traducirá la información que viene encriptada (modulada en frecuencia o modulada en amplitud) dentro de la señal resultante y nos entregará dos componentes de información muy importantes: el audio que finalmente escucharemos y una cuantificación de la amplitud obtenida al final de la cadena de amplificación. Si la emisora es cercana y potente, el valor recuperado será elevado, mientras que si la emisora es lejana, su señal llegará muy débil y pobre lo que concluirá con un valor pequeño de amplificación.

Aquí, entonces, hace su aparición en el circuito el AGC (Automatic Gain Control) que funciona como un control automático de ganancia. A mayor amplitud, le indica al amplificador de RF y al canal de frecuencia intermedia que no es necesaria tanta amplificación, mientras que ante señales débiles, fuerza a estas etapas a amplificar hasta lograr un nivel parejo y armónico entre señales débiles y señales potentes logrando un nivel sonoro equitativo entre todas las frecuencias escuchadas. Si esto no fuese así, estaríamos retocando el control de volumen en forma constante al cambiar de emisoras.

Por último, una fuente de alimentación que entregue la energía necesaria a todas las etapas que componen el receptor completa el desarrollo en su fase preliminar de análisis. A partir de una batería (en el caso de querer realizar un equipo portátil) o una fuente de alimentación conectada a la red de energía domiciliaria, deberemos construir las distintas secciones que la misma requiera para alimentar los circuitos del receptor. Hasta aquí la teoría que debes conocer. Ahora comienza la acción.

Nuestro receptor
Ahora que conocemos todas las partes que componen un receptor convencional analicemos en primera medida algunas cosas que el mundo de la electrónica nos ofrece ya hechas. La maravilla de la miniaturización de estos módulos nos permite aprovechar su disponibilidad y practicidad de uso para facilitar nuestros desarrollos. Un claro ejemplo de esto es un selector de canales de un TV. A este dispositivo no sólo podemos utilizarlo para recibir imágenes sino que, además, podemos convertirlo en un receptor que pueda cubrir toda la banda que su diseño permita, esto es, la nada despreciable porción del espectro radioeléctrico que comprende los 40–45 Mhz hasta más allá de los 1000 Mhz, llegando en teoría a 1,3 Ghz.

¿Cómo es esto? Muy sencillo. El selector de canales de un TV es el mismo circuito que te mostramos antes de un amplificador de RF de entrada más un mezclador, más un oscilador local, más una pequeña etapa de frecuencia intermedia. Todo en un solo cuerpo metálico y controlado mediante sencillas señales que nos facilitará un microcontrolador. De esta forma, bastará con agregarle a un sintonizador de TV una fuente de alimentación apropiada, un demodulador y un amplificador de audio. Nada más. La parte “difícil”, la parte de la RF, la maneja en forma absoluta el selector de canales del TV y nosotros lo que debemos realizar es el manejo del mismo de la manera más correcta posible para obtener resultados satisfactorios.

Como vemos en el diagrama, necesitamos un sintonizador que sea controlado por bus I2C, una fuente de alimentación que nos proporcione las tensiones que éste necesite para trabajar correctamente y un circuito sintonizado en 45,75 Mhz para poder escuchar todo lo que nuestro “receptor” esté dispuesto a entregarnos. Vale aclarar que la frecuencia de salida de 45,75 Mhz es válida para los países de América, mientras que para Europa los sintonizadores nos entregarán una frecuencia de salida de 38,9 Mhz. Esto significa que los que vivimos en América realizaremos un receptor con sintonía en 45,75 Mhz y aquellos que vivan en Europa deberán realizar el mismo receptor, no otro, pero deben sintonizarlo en 38,9 Mhz. Tan sólo esa mínima diferencia.  

Los sintonizadores de TV modernos trabajan todos por bus I2C y ya casi no se encuentran en circulación otros modelos más antiguos que son controlador por bus SPI o 3-Wire como también se los conoce. Otros selectores de canales que son muy similares de aspecto a los que utilizaremos son más antiguos aún y traen un sistema de conmutación de bandas mediante tres pines salientes. Por otra parte, la sintonía se realiza a través de una tensión variable de 0 a 33 Volts en otro terminal de entrada. Estos sintonizadores eran y son conocidos como “Varicap” ya que la tensión variable mencionada se aplicaba a sendos diodos homónimos que trabajaban como capacitores variables. Esta tensión debía ser monitoreada en forma constante por un circuito realimentado para mantener siempre la sintonía correcta.

Luego llegó el bus I2C y nos simplificó la vida a todos. A través de dos líneas, enviamos algunos BYTEs de control al sintonizador y tenemos al instante la frecuencia deseada en sintonía. Nuestro trabajo inicial será entonces encontrar el sintonizador de TV que mejor se aproxime a nuestras necesidades. Ahora veremos cómo identificarlo cuando estemos frente a él. Observa atentamente en la imagen superior los dos sintonizadores que te mostramos. Ambos son TECC1980, pero puedes notar que además de cambiar las letras y números finales, cambia notoriamente el tamaño. El de la derecha, además de ser más grande, posee inscripciones en su tapa metálica que nos indican su conexión. BL, BH y BU son las selecciones de bandas; BT es la tensión variable de 33 Volts. Es decir, ése es el sintonizador viejo. El otro, el más pequeño, es el que necesitamos nosotros.

Las conexiones pueden variar en forma mínima de un modelo de sintonizador I2C a otro y dicha variación será tan sólo la diferencia de una tensión de alimentación. En el caso del selector que buscaremos, utilizaremos para su alimentación 5 Volts y 30 a 33 Volts, mientras que para el otro modelo, serán necesarias tres tensiones diferentes: 5 Volts, 9 Volts, y 33 Volts. Ese es el caso del modelo TECC1980PK25A que se observa en la imagen superior. En la imagen inferior, vemos la conexión en un circuito impreso de un sintonizador 1AV4F1BAM0340 que coincide exactamente con un estándar DT5-20NF. Observa que MB y PB son conexiones que van a una misma alimentación (5 Volts) que proviene de L104. Puedes observar también la conexión de TB (33 Volts) que posee una alimentación regulada con el zener D103. A la derecha de la imagen, se destaca el pin de conexión para el AGC, que luego veremos cómo implementarlo, y las clásicas DATA (SDA) y CLOCK (SCL). Por último, al final a la izquierda, la salida de FI ya mencionada anteriormente.

Dato importante
Puedes utilizar cualquier sintonizador que trabaje por bus I2C. Si no son los modelos mencionados, no te preocupes, será cuestión de buscar en Google la información de conexión de los pines y acomodar tu circuito de acuerdo a sus requerimientos. El desarrollo mostrado no es privativo de los modelos que verás en los artículos; tú puedes usar otros. La única condición es que sean para bus I2C. Utiliza el que tengas o el que consigas, basta que sea I2C. En la imagen inferior se ven claramente todos los tipos de sintonizadores que existen en la actualidad. El de la izquierda, el más pequeño, es el indicado. Su disposición de pines, ayudará a no confundirte.

Conclusiones de la primera etapa
Gracias a un sintonizador de TV vamos a poder escuchar muchas cosas en nuestro receptor. Tú sabes: aeronáutica, fuerzas de seguridad, radioaficionados, satélites meteorológicos, telefonía, broadcasting y mucho, mucho más. Sólo debemos encontrar el sintonizador adecuado. Luego, en las próximas entregas, construiremos la fuente de alimentación apropiada para nuestro desarrollo contemplando la utilización de una entrada de corriente continua de 12 Volts. También veremos cómo controlar el sintonizador a través del bus I2C por intermedio de un microcontrolador. En la web, existen varios ejemplos en páginas europeas donde utilizan el sintonizador UV916 de Philips. Aquí te mostramos su equivalente americano, el UV936.

Finalmente, acoplaremos a todo el conjunto un receptor de FM para poder escuchar el universo de emisiones que existen en VHF y UHF. Podemos, además, incorporar conectividad RS232 al microcontrolador y, mediante una pequeña aplicación en VB6, visualizar una consola de control del receptor en nuestro ordenador. En síntesis, el abanico de posibilidades de ampliación del desarrollo es enorme y poco a poco iremos realizando distintas aplicaciones basadas siempre en las enormes posibilidades que nos brinda un (hasta ahora desapercibido e inadvertido) selector de canales de TV.

Por último, utilizaremos todo este desarrollo para construir un sencillo analizador de espectro que te sorprenderá por su facilidad de manejo y utilidad. Suena imposible de alcanzar, ¿verdad? Mediante el barrido apropiado de una porción del espectro y utilizando la salida de intensidad de señal (RSSI) de un receptor de FM, podemos implementar en un osciloscopio un analizador de espectro que te sorprenderá. Un ejemplo muy sencillo y simple es el siguiente video donde puedes ver una señal de FM y las excursiones de ancho de canal que adopta con los distintos niveles de audio que recibe. Observa que a mayor audio, mayor ancho de canal ocupado y viceversa. Es probable, y casi seguro, que la música del video no te agrade, pero era lo que había en la emisora en ese momento. Cuando tú construyas tu propio analizador, seleccionarás la frecuencia en el microcontrolador y observarás lo que ocurre en ese lugar del espectro con la absoluta precisión del bus I2C. Es muy probable que encuentres algo mejor para escuchar y analizar. Esto no es ciencia ficción, esto es NeoTeo y te esperamos en las próximas entregas.