Analizador de Espectro NeoTeo

Luego de mucho trabajo y de varios artículos independientes llega el momento de agrupar a todas las piezas y empezar a darle forma a lo que prometimos que sería el “desarrollo del año”: un Analizador de Espectro Radioeléctrico. Quizás algunos pocos conozcan a fondo un instrumento de estas características y quizás otros, ni siquiera sepan de qué se trata, cómo se utiliza y para qué se emplea. En palabras sencillas, “es una ventana al espectro radioeléctrico”. Según la cobertura de frecuencias del instrumento, con él se puede “ver” como se ubica y comporta una señal electromagnética en el espectro. Hay mucho por ver, escribir y leer. ¡Comencemos!

Una de las cosas que nadie tiene dudas en el mundo de la electrónica es que nunca terminará por conocerlo y por saberlo todo. Siempre existirá algo nuevo que nos sorprenderá y nos ayudará a adquirir nuevos conocimientos y, en el caso de los instrumentos, mayores facilidades de trabajo y mejores herramientas para trabajar con comodidad, eficiencia y por sobre todas las cosas, entendiendo lo que estamos haciendo. Un Analizador de Espectro cumple con todas esas funciones enumeradas por lo tanto, este será apenas el primer artículo de una serie que te permitirá construir con tus propias manos una herramienta muy útil, valiosa y para muchos, inalcanzable por tener un precio muy elevado. Por supuesto, no creas que de manera mágica hemos descubierto la forma de construir con unos pocos euros un instrumento que vale miles. Tampoco tendrás las prestaciones de un equipo profesional y podrás hacerte millonario de la mañana a la noche construyéndolo. No, en absoluto. Desciende a la tierra y comprende que desarrollaremos un instrumento que será útil, que lo podrás construir tú mismo y que te ayudará a descubrir porqué, o de qué manera, suceden muchas cosas dentro del espectro radioeléctrico.

Una vez aclarado el propósito de este desarrollo podemos comenzar a hablar de ¿qué es y para qué se utiliza un Analizador de Espectro? Al observar la imagen anterior puedes ver una pantalla donde sobre el eje horizontal se encontrarán las diferentes frecuencias a “observar o analizar” mientras que sobre el eje vertical encontraremos la amplitud o intensidad de la señal que deseamos “observar o analizar”. El ejemplo más familiar que tienes y has visto en infinitas oportunidades es el analizador de espectro que traen los reproductores de audio para el ordenador (por ejemplo: Winamp). Allí puedes ver que al sonar un buen bajo (como el de Roger Waters), las columnas del indicador de intensidad de sonido se mueven en forma sincrónica al sonido en la parte izquierda del visor, es decir, en la parte de bajas frecuencias. Por el contrario, cuando la estridencia de una nota muy alta (lograda por la guitarra de David Gilmour) se hace presente, la parte derecha del visor es la que adquiere protagonismo.

Esto ocurre con las frecuencias comprendidas dentro del espectro audible, pero existe un espectro que se extiende mucho más allá de los sonidos que podemos escuchar. Las ondas de radio, las frecuencias de los canales de TV, de la telefonía móvil, de las comunicaciones por satélite y la lista es interminable de señales que se pueden ubicar en un espacio determinado, dentro del espectro electromagnético. Sobre este tema ya hemos hablado lo suficiente en artículos como el TDA7000 o el Receptor NeoTeo. Si crees que es necesario refrescar un poco esos conceptos puedes leerlos y encontrarás allí muchas respuestas sobre la radio. Ahora nos centraremos en un tipo muy particular de Analizador de Espectro: “el nuestro”. Este equipo utiliza el principio de funcionamiento de un receptor superheterodino como el que hemos desarrollado en artículos anteriores y te muestra en la pantalla de un osciloscopio imágenes muy útiles para el diseñador, experimentador, amateur o profesional y que intentaremos explicarte de la manera más sencilla posible.

En el gráfico superior puedes ver las dos características más frecuentes que podrás “ver” en una señal: su nivel o porcentaje de modulación y la frecuencia. Es decir, una señal de AM (Amplitud Modulada) se vería como una portadora (así se le llama a una señal de transmisión) que varía su nivel o amplitud de acuerdo a la profundidad de modulación que le imponga la señal impuesta en la estación transmisora. En cambio, en una transmisión de FM (Frecuencia Modulada), las variaciones se visualizarían a los costados de la frecuencia central. Cuanto mayor sea el nivel de audio que nos “trae” la señal, mayor será la desviación hacia ambos lados de la frecuencia central (Fc). Dicho de otro modo, si no hay sonido aparece la portadora o frecuencia fundamental de transmisión sin perturbaciones. Por el contrario, si el nivel de audio se incrementa, a los costados de la frecuencia fundamental observaremos el nivel o “profundidad” de modulación. ¿Todavía no lo tienes claro? Observa esta señal de FM. Sin sonido es un “vástago” (sólo la portadora) donde podemos ver el nivel de amplitud con que llega una emisora de radio a nuestro sistema. Cuando el audio aparece, la señal es “modulada en frecuencia”.

Como mencionamos antes, el principio de funcionamiento de nuestro Analizador de Espectro será el del sistema Superheterodino y la única parte digital que incluirá el desarrollo será la utilización de potenciómetros digitales en lugar de potenciómetros mecánicos tradicionales. ¿Porque hacemos esto? Muy sencillo: de este modo los potenciómetros nunca sufrirán desgaste y estaremos ante un equipo que no presentará problemas de mantenimiento ni la necesidad de conseguir materiales especiales como son los clásicos potenciómetros multivueltas de panel. De este modo, con cualquier potenciómetro digital resolvemos un problema que era difícil de resolver. Por supuesto que en nuestro caso utilizaremos los CAT5269 que han demostrado ser muy eficientes y de fácil manejo mediante el bus I2C. Además, la utilización de un microcontrolador PIC nos permitirá utilizar un display alfanumérico para obtener informaciones acerca del funcionamiento del instrumento que luego estudiaremos en detalle, En esta primera entrega nos centraremos en los aspectos generales de la construcción y mientras avancemos en el trabajo te iremos mostrando los detalles más destacados. Aquí tienes un diagrama en bloques inicial:

El receptor superheterodino es uno de los protagonistas principales de este montaje. Como ya vimos antes, al poseer mayor cantidad de etapas de conversión, el receptor se transforma en un dispositivo de mayor selectividad y sensibilidad. Esta particularidad le permitirá trabajar con señales muy débiles en su entrada, además de otorgarle un mejor desempeño ante señales que se encuentren entre sí, próximas en frecuencia. En nuestro caso utilizaremos un sistema de triple conversión muy sencillo de implementar y muy económico. El generador de rampa que se observa en el diagrama estará construido alrededor de un NE555 y la rampa generada por el circuito implementado con este IC será otra parte fundamental de este sistema. La rampa, como ya hemos visto y conocemos con anterioridad, será una tensión variable en el tiempo que tendrá dos tareas: provocar el barrido horizontal del osciloscopio (eje Y) y variar la frecuencia de funcionamiento del oscilador local del receptor superheterodino, esto es, cambiar la frecuencia de sintonía en forma sincronizada con el barrido horizontal en el osciloscopio.

Otra vez: Cuando la rampa se inicia en el mínimo de su valor de tensión, activa el barrido horizontal del osciloscopio y a su vez sintoniza al receptor en una mínima frecuencia. A medida que comienza a incrementar su nivel de tensión, la rampa provoca que el barrido horizontal del osciloscopio “avance” atravesando la pantalla mientras obliga al receptor a cambiar de sintonía pasando por todo un segmento de audición predefinido por el nivel de tensión de la rampa. Si el barrido del osciloscopio se encuentra en sincronía con el barrido de frecuencias recibidas en el superheterodino, cualquier señal audible se verá en la pantalla de manera fija, inmóvil y con una amplitud acorde a la intensidad que posea en la entrada del receptor.

Cuando este proceso se repita muchas veces por segundo veremos en la pantalla del osciloscopio una forma de onda que representa la amplitud de la señal (o señales) detectadas en la entrada del instrumento y ubicada dentro de un fragmento determinado del espectro. Este razonamiento, asociado a la imagen anterior, nos permite deducir varias cosas importantes. Una de ellas es que cuanto mayor sea la amplitud de la rampa, mayor “cobertura” de frecuencias tendrá nuestro instrumento, aunque este sencillo razonamiento se desvanece al apreciar que muchas señales deberán compartir la misma pantalla. Otra deducción entonces será que tendremos una tarea muy difícil para discriminar las señales que deseamos estudiar o analizar dentro de todo el grupo de señales activas que encontraremos en la imagen. Por ejemplo, si deseamos salir y dar una mirada en la banda de frecuencia modulada comercial para ver la actividad de emisoras que el receptor del Analizador de Espectro puede “oír”, podemos encontrarnos con imágenes poco útiles como la siguiente:

De ese modo, sería muy difícil identificar una emisora entre tantas señales, todas abarrotadas en una pantalla pequeña. La solución a este problema es sencilla e ingeniosa a la vez. Si el oscilador local del receptor superheterodino que utilicemos en el desarrollo es capaz de trabajar con una tensión de entre 0 y 12Volts para cubrir toda la banda de FM comercial, lo que debemos hacer es colocar un potenciómetro para reducir la amplitud de la rampa, supongamos, entre 0 y 2 Volts. De este modo, si antes trabajábamos de 85Mhz hasta 110Mhz en todo el ancho de la pantalla, ahora podremos reducir la imagen a un margen de frecuencias entre 85Mhz y 90Mhz (estoy mencionando valores al azar, con el sólo propósito de facilitar la comprensión) y la imagen será más clara y se podrán observar mejor, pocas emisoras. Pero, ¿qué sucede si deseamos “mirar” otra porción? ¿Por ejemplo desde 102Mhz a 107Mhz?

La solución mostrada en la gráfica nos hace comprender que debemos “extraer” la “componente de corriente alterna” que posee la información de la rampa para utilizarla de acuerdo a nuestras necesidades. Luego, “montarla” sobre una “componente de corriente continua” ajustable para poder seleccionar la porción del espectro que sea de nuestro interés. Esto es, a la señal de rampa resultante “moverla” hacia arriba o hacia abajo para variar así la gama de frecuencias a analizar. Por lo tanto, con un potenciómetro seleccionamos el “ancho” que deseamos observar (Sweep Rate), (altura de la rampa) y con otro potenciómetro seleccionamos la “frecuencia o banda” que pretendemos analizar (Tune), (posición de la rampa dentro de la tensión de alimentación). Por supuesto, si llegamos a reducir lo suficiente la amplitud de la rampa y alcanzamos la frecuencia deseada donde se encuentre lo que intentamos analizar, obtendremos resultados como el primer video y como este que te dejamos al final.

Resumen
Una rampa con un NE555 (ya lo has hecho), un par de potenciómetros digitales (ya lo has hecho), receptores de múltiples conversiones (ya lo has hecho), un osciloscopio, ganas de trabajar, ganas de aprender y un instrumento muy útil estará aquí, en NeoTeo para coronar este 2010 con un instrumento de jerarquía. Por supuesto, utilizaremos un selector de canales de TV para la primera etapa (o conversión) del receptor superheterodino. Eso nos garantiza una cobertura segura entre 50Mhz y 900Mhz. Nada despreciable, ¿verdad? La TDT está comenzando a ocupar espacios de aire que están dejando los viejos canales de TV analógicos y ese proceso de cambio será muy interesante de ver y analizar. En la próxima entrega pasaremos a definir el diseño de circuito, a construir placas y allí comenzará la fiesta. ¿Te lo vas a perder?