Como mejorar nuestra recepción

Trataré de explicar con palabras simples y tomando una serie de atajos, para no introducir matemáticas (o al menos lo menos posible) cómo podemos mejorar nuestra recepción, muchos de los conceptos están orientados a bandas de VHF y superiores, pero en líneas generales son útiles en las bandas de HF.

Siempre escuchamos, frases como “Los pre no sirven para nada, amplifican el ruido y la señal” o “pone una antena con más ganancia”, estas frases, son verdades a media.

Ahora comencemos

Todos los receptores tienen una señal mínima que pueden detectar, esto es, una señal a la entrada, que produce un incremento significativo a la salida, es decir, nuestra señal de interés es del doble que el ruido (3dB), este valor se conoce como MDS (minimum detectable signal), esto en general, esta limitado (en que tan pequeña puede ser esta señal), por la figura de ruido del receptor (luego la explicaremos mejor).

Ahora bien, nuestro receptor no podría recibir nada, si no fuese por una antena y una línea de transmisión que lleve la señal desde la antena hasta el mismo. Ahora se transforma en un sistema de recepción.

Dado un receptor determinado, que vamos a suponer, tiene una MDS de -130dBm, tenemos 3 elementos (aparte del propio receptor) que van a afectar nuestro sistema.

La antena (la mas importante).

La línea de transmisión que une la antena con el receptor.

Por último, un Preamplificador (si, este elemento que muchas veces es pisoteado sin conocerlo).

Comenzamos por el elemento más importante de nuestro sistema de recepción La Antena, es la encargada de “colectar” nuestro señal de interés, pero en un mundo real, esta antena, no solo colecta nuestra señal de interés, sino también “ruidos”, estos tienen diferentes orígenes, ruido térmico, ruido cósmico (válido para las bandas altas VHF para arriba) y por último, ruidos generados por el hombre.

El ruido térmico, es un parámetro propio del diseño de la antena, en general, queda determinado por el diseño de la antena, solo podemos mejorar este punto eligiendo una buena antena (o un buen diseño de la misma)

El ruido cósmico y ambiente: Depende de donde tengamos apuntada nuestra antena (si las estrellas, incluido el sol y la tierra son una fuente de ruido), rayos, etc.

El ruido generado por el hombre, es el que, en general, más afecta nuestro receptor. Este ruido puede ser minimizado eligiendo una antena adecuada, usando polarización horizontal y con lóbulos secundarios reducidos (en caso de una antena direccional), aquí hay algo importante a saber a cerca de las antenas, no solo importa la ganancia de una antena, sino que tan “limpio es su lóbulo de radiación”, de nada nos sirve una antena con muchísima ganancia, si esa ganancia se da en muchas (o todas) las direcciones, supongamos mentalmente, que nuestra señal de interés está al Norte, pero tenemos una fuente de ruido al Este… si la antena no es capaz de diferenciar las dos fuentes, como en el caso de una antena vertical omni-direccional (Fig. 1), vamos a captar con más intensidad, no solo nuestra señal de interés, sino también, la fuente de ruido, en el caso de una antena direccional (Fig. 2), vemos que nuestra señal de interés "A", es captada con una ganacia de +7dB y nuestra señal de ruido "B" es captada con una ganancia (atenuación) de -13dB, es decir 20dB menos que nuestra señal de interés, de esta forma, nuestra relación entre "señal de interés / ruido" o SNR (Signal to Noise Ratio = relación señal ruido) máxima de nuestro sistema, va a quedar determinada, por una correcta elección de la antena, de aquí en más, cada elemento de nuestro sistema que “atravesamos”, linea de transmisión, preamplificador, conectores, etc., no va a hacer otra cosa que degradar nuestra SNR (máxima teórica y disponible en el conector de la antena), por lo que los elementos que le siguen, tienen una importancia relevante, para mantener nuestra SNR máxima.

Fig. 2
Antena Direccional

                  

Fig. 1
Antena Omni direcional

Para poner esto en números.

supongamos que estamos tratando de escuchar unas estación de DX en la posición "A" y tenemos una estación o fuente de ruido en la posición "B" que nos llega 5dB mas bajo que la estación de DX en "A". en el primer caso, tendremos que "A" y "B" son captadas por la antena con la misma ganancia. es decir que "B" nos llegara 5dB "por debajo" de "A", lo que en fonia, nos dificultara la recepción haciéndola casi ininteligible. En el segundo caso, antena direccional de la Fig. 2, la estación de DX será captada con +7dB de ganancia y la fuente de ruido en "B" será captada con una ganancia (atenuación) de -13dB, por lo que ahora, la señal "B" estará 25dB "por debajo" (*) de la estación de DX en "A", dándonos una relación señal ruido que nos permite cómodamente escuchar la estación de DX.

Aquí hicimos un par de simplificaciones, y la mas importante, es que consideramos que existe una única fuente de ruido en B, esto en la vida real, no es tan simple, pero es un tema para un capitulo aparte.

(*) Ganancia de la antena A=+7dB, B-13dB, A=0dB, B=-5dB (B esta 5dB por debajo de A, como en el primer caso). Al receptor llega A=+7dB, B=-5dB-13dB=-18dB, SNR =+7db - (-18dB)= 25dB

El próximo elemento que tenemos en nuestro sistema de recepción, es la “línea de transmisión”, es la encargada de llevar la señal colectada por nuestra antena, hasta el receptor o el preamplificador (del que hablaremos más adelante), aquí cualquier atenuación introducida, nos degrada la SNR, para ponerlo en números, dijimos que nuestro receptor imaginario tenía una MDS de -130dBm y nuestra antena colecta una señal de -120dBm, vamos a imaginar, que nuestra antena, solo colecta nuestra señal de interés, sin ruidos, tendremos una SNR de 10dB. Ahora bien, que sucede si nuestra linea de transmisión, tiene una perdida de 3dB, una cifra muy normal en VHF, la señal que llega a nuestro receptor, no será de -120dBm, sino de -123dBm, por lo que nuestra relación señal ruido será 7dB, es decir, por cada dB que perdamos en la línea de transmisión hasta nuestro receptor, degradamos 1dB nuestra capacidad de escuchar nuestra señal de interés.

Hasta aquí todo es bastante intuitivo, y seria simple, decir “coloco un pre con 20dB de ganancia y soluciono el problema”, lamentablemente, vivimos en un mundo real, y al comienzo de esta charla, escribí una frase que no le di mucha importancia “...cada elemento que atravesamos, va a degradar nuestra SNR…” y el preamplificador, es uno de estos elementos, pero colocado en el lugar adecuado y con las características adecuadas, puede ayudarnos en la recepción.

Seguramente, hayamos leído o escuchado “Amplificador de bajo ruido o LNA”. El primer parámetro a tener en cuenta cuando se elige el mismo es la Figura de Ruido o NF (por su sigla en inglés Noise Figure). Es verdad que el pre-amplificador amplifica la señal de interés y el ruido, pero no solo hace eso, sino que también introduce ruido propio, que degrada nuestra SNR. Esta degradación de la SNR depende de la NF de nuestro pre-amplificador, no es ni mas ni menos que NF=10xLog(SNRin/SNRout).

El otro parámetro importante de un LNA, es la ganancia, valores de aproximadamente 20dB son buenos y ya veremos por que.

La ubicación de nuestro LNA, es tan importante como el mismo preamplificador, ya veremos por que.

Ya que llegamos hasta aquí, debemos introducir algo de matemáticas (y muchos atajos...)

Cuando hablamos de la MDS de un receptor, dijimos que era la señal mínima detectable (que producía un incremento de 3dB en la salida = SNR 3dB a la salida), pero esa MDS no nos sirve de mucho, por ejemplo si queremos realizar un contacto en fonia, ya que la mínima SNR necesaria para que una señal sea legible es de aproximadamente 6dB.

Pondremos un ejemplo de un sistema típico de VHF.

Si nuestro objetivo, es un contacto en fonia, como dijimos, necesitamos una SNR mínima de 6dB, nuestro receptor tiene una MDS de -130dBm, es decir, en entrada de nuestro receptor, deberemos tener una señal de -124dBm, si agregamos una linea de transmisión con una perdida de 3dB, en el extremo de la linea (donde conectamos la antena), debemos tener -121dBm.

A partir de aquí juega la ganancia de la antena, por un rato, olvidemos el ruido, si tenemos una antena con 10dB, podremos detectar una señal de interés de -131dBm

Ahora en este sistema, agregamos un preamplificador "ideal" (sin ruido) con una ganancia de 20 dB y que no degrada la SNR.

Seguimos con nuestro receptor que necesita -124dBm para obtener una señal de fonia con una SNR de 6dB, nuestra perdida de 3 dB en la linea y nuestra ganancia de antena de 10dB, pero ahora introducimos el preamplificador con ganancia de 20dB. Tendremos una señal mínima de -151dBm !!!!.

 

                     -124dBm = -151dBm(señal) -3dB(linea) +10dB(antena) + 20dB(pre)

Pero como dijimos antes, dejamos fuera el ruido, y esto en la practica, no funciona tan bonito como lo planteamos acá, por lo que vamos a necesitar incluir el ruido, para entender como funciona realmente el sistema en nuestro ruidoso mundo, y con lo de ruidoso no solo me refiero al ruido generado por el hombre.

El ruido, tiene mayormente 3 fuentes:

Ruido generado por el hombre: Otros transmisores, lamparas LED, coches, etc.

Ruido térmico: este ruido es una fuente compleja de entender, pero voy a pedir un acto de fe, para que tomen como valido lo que vamos a hablar de el. Resumiendo, nuestras antenas, están apuntadas a objetos que están con una temperatura determinada, para comunicaciones terrestres, esa temperatura es estandarizada en 20 grados centígrados (290 Kelvin) y este factor nos va a determinar el ruido de fondo, ya lo veremos en nuestra ecuación de MDS.

El ruido propio de nuestro receptor: Todas las etapas que atraviesa la señal , van a sumar ruido en nuestro sistema de recepción, aquí es donde podemos hacer una diferencia con pequeñas "buenas practicas", este valor de ruido, generalmente es expresado como el NF (noise factor) de nuestro receptor, y ya veremos como mejorarlo.

Vayamos a los nuestro (y ahora si es necesario un poco mas de formulas. En un receptor, tenemos que la MDS es igual a:

El primer termino es el ruido de fondo o ruido térmico, como hablamos ante, nuestras antenas, están apuntadas a objetos con determinada temperatura. En el caso de las comunicaciones terrestres, dijimos que esta temperatura promedio es de 290 grados Kelvin (lo necesitamos en Kelvin, por una cuestión de unidades) la Constante "k" es la constante de Boltzmann (1.38 X 10EXP-23). es primer termino, nos da un piso de ruido de -174dBm. sobre este factor, se podría hacer un capitulo a parte para cuando apuntamos nuestras antenas al cielo (haciendo EME, por ejemplo), pero, por ahora vamos a dejarlo en ese valor aceptado de -174dBm.

El segundo termino, conocido como figura de ruido (NF), es uno de los factores que podemos mejorar en nuestro sistema de recepción.

Como lo mencionamos antes, nuestro receptor tiene una NF dada por su diseño, este valor, en general no lo podemos ver en los manuales y medirlo requiere de instrumental complejo y técnicas especiales, por lo que si queremos asegurarnos una buena NF, lo mejor es utilizar un preamplificador del que si conozcamos este valor, que es el mas importante, incluso mas que la ganancia del mismo.

Tal es asi, que estos preamplificadores de bajo ruido (LNA por sus siglas en ingles), se ajustan para optimizar la NF en vez de la ganancia. cualquier preamplificador con mas de 15 dB de ganancia y una figura de ruido en torno al dB se puede considerar bueno, cifras de ruido de 0.5dB y ganancias en torno a los 20dB son excelente para nuestras comunicaciones (valido mas que nada para bandas de 144 Mhz y superiores).

Sin entrar en detalles y tratando de no introducir nuevamente la matemática, vamos a decir, que la figura de ruido de nuestro sistema de recepción, va a quedar determinaba mayoritariamente por la primer etapa del mismo, es decir, nuestro preamplificador, también hay que decir, que esta figura de ruido de nuestro excelente preamplificador, se va a ver degradada por cualquier perdida que tengamos entre la antena y la entrada de este, es decir, por cada dB de perdida entre estos dos elementos, degradaremos la NF en un dB, de aquí, que es extremadamente importante, colocarlo lo mas cerca posible de la antena, ya que si tenemos una perdida de 3dB en nuestra linea de transmisión, habremos sumado 3dB a la NF. Esto, conlleva un trabajo extra ya que hay que alimentarlo, agregar un circuito de conmutación, etc. pero realmente es el factor en el que podemos hacer una gran diferencia con solo posicionar correctamente el mismo.

supongamos un receptor promedio con un NF de 5dB que esta operando en 144Mhz con una linea coaxial con 3dB de perdida, tendremos que la NF de nuestro sistema de recepción, será de 8dB, colocando, junto al equipo, un preamplificador con una NF de 1dB, reduciremos la NF a 4dB, pero colocando el pre junto a la antena, tendremos una NF de 1dB, por lo que habremos mejorado 7dB nuestra recepción.

Por ultimo, tenemos el termino que incluye el ancho de banda (bandwidth), aquí, con los equipos modernos con anchos de banda variables en la recepción, o utilizando filtros estrechos (1.7Khz para fonia, 500Hz para CW, etc) podemos mejorar nuestra capacidad de recibir señales débiles, lamentablemente, siempre tenemos un limite para reducir el ancho de banda, ya que debemos al menos debe tener el ancho de banda necesario para que la señal sea inteligible.

Espero que si llegaron hasta acá hayan entendido un poco los conceptos básico, a pesar de haber tomado muchos atajos, tenemos un pantallazo general, de como funciona nuestro sistema de recepción, valdría la pena, ahondar en un par de cuestiones puntuales, algo que seguramente haremos en alguna otra entrada