He conseguido arreglar mi transmisor de radio

(Publicada originalmente en inglés en Google+).

Hoy he mirado atentamente a la señal que salía de mi antena y, sí, al final resultó que la mayor parte de la energía se gastaba fuera de la frecuencia en la que quería transmitir. Sin embargo, no fue debido a que las imágenes y transmisiones espúreas se llevaran la mayor parte de la energía... fue debido a que estaba transmitiendo en la frecuencia equivocada.

Seguid leyendo, que no se trataba de un simple caso de manazas girando la rueda de selección de frecuencias.

En el mundo de la radio definida por software (SDR, por las siglas en inglés) trabajamos con receptores y transmisores bastante básicos, cuya función es recibir una señal de radio y transformarla en una forma en la que el ordenador pueda procesarla, y viceversa. Para conseguirlo, se utilizan muchas matemáticas en el ordenador, usando algo a lo que llamamos "números complejos". Estos números complejos tienen dos componentes: una parte real y una parte imaginaria (el nombre "imaginaria" lo recibió cuando los matemáticos aún no entendían bien los números complejos y pensaban que estos números eran menos "reales" que los números que habían estado utilizando hasta aquel momento. Pero me estoy yendo por las ramas).

Por lo tanto, un receptor de radio SDR toma una señal de radio, realiza ciertas manipulaciones electrónicas y genera dos señales que el ordenador convierte en números complejos. Una de estas señales, llamada I, se convierte en las partes reales de esos números, y la otra señal, llamada Q, se convierte en las partes imaginarias.

Para transmitir, el ordenador toma las partes reales de los números complejos y genera una señal I, y también genera la correspondiente señal Q a partir de las partes imaginarias de los mismos números. Estas dos señales van al transmisor SDR, sufren ciertas transformaciones electrónicas, y se convierten en una señal de radio.

El problema que tenía yo es que los cables de las señales I y Q estaban cruzados en el transmisor.

El efecto resultante de este cruce de cables es que la señal salía transmitida por una frecuencia incorrecta. Normalmente tenía mi "frecuencia central" fijada en 14,080 MHz y mi frecuencia de transmisión fijada en 14,097 MHz. Sin embargo, como I y Q estaban cruzados, el transmisor tomó la parte real como imaginaria y la parte imaginaria como real, lo que hizo que la señal transmitida se "reflejase" alrededor de la frecuencia central y acabase teniendo una frecuencia de 14,063 MHz. ¡Ups!

Por suerte, estaba utilizando una antena de bucle magnético, que tiene un ancho de banda limitado (esto lo expliqué en la historia de ayer), así que es bastante probable que sólo haya salido transmitida una pequeña fracción de la energía de esta señal, y el resto se haya convertido en calor en la antena.

Ahora bien, no sé si lo he mencionado, pero ya se habían recibido mis señales unas tres o cuatro veces durante las anteriores dos semanas. Además, al utilizar una radio de onda corta para escuchar las transmisiones, podía oír mi señal con toda claridad en la frecuencia correcta. Es natural preguntarse cómo puede ser esto posible, si la señal estaba siendo emitida con la frecuencia equivocada.

La solución es simple: antes de que los números complejos producidos por el ordenador lleguen al transmisor, antes tienen que pasar por una tarjeta de sonido que los convierte en las señales eléctricas I y Q, y luego viajan hasta el transmisor por cables de audio. Cables de audio estéreo, en particular, que tienen tres hilos: un hilo de tierra, un hilo para el altavoz izquierdo, y un hilo para el altavoz derecho. En esta configuración, uno de los hilos de los altavoces porta la señal I y el otro hilo porta la señal Q. Cuando hay dos hilos paralelos por los que circulan corrientes alternas, se inducen pequeñas corrientes mutuamente, lo que causa una pequeña interferencia.

Con esta interferencia, cuando las señales llegan al transmisor de radio, el hilo de la señal I también porta un poquito de señal Q y viceversa, por lo que cuando se produce la transmisión acaba habiendo una pequeña señal en la frecuencia deseada originalmente. Esta señal podía yo oírla en mi radio porque estaba bastante cerca de la antena, y a veces se oía desde más lejos porque estaba utilizando WSPR, un modo digital para señales de baja potencia, así que la gente que recibía esas señales ya estaba esperando recibir transmisiones muy débiles.

Después de arreglar este fallo envié otra transmisión mediante WSPR. En esta ocasión me oyeron cuatro estaciones; la más lejana de ellas estaba en Alaska. Mi segunda señal se recibió en Nueva Zelanda. Ambas transmisiones se realizaron con 1 vatio de potencia. Creo que puedo decir con seguridad que tanto el transmisor como mi antena casera funcionan correctamente :)

Ahora sólo me queda arreglar mi amplificador de 50 vatios.

Mejoras en mi antena de radioaficionado casera

(Publicado originalmente en inglés en Google+.)

Ayer trabajé un poco en mi antena de bucle magnético. Una forma más correcta de denominarla sería "antena de bucle magnético pequeño", o SMLA en sus siglas en inglés. Consiste en un cable que forma un círculo y está conectado a un condensador variable. El bucle de cable forma una inductancia, que junto con la capacitancia del condensador forma un circuito resonante. Realizando las conexiones adecuadas se puede utilizar una SMLA para recibir y transmitir señales en la frecuencia de resonancia de la SMLA, que se puede variar girando una rueda para variar la capacitancia del condensador.

Como podéis imaginar, cuanto más resonante sea la antena, mejor es: las señales presentes en esa frecuencia se amplifican más. Además, cuando la antena es más resonante tiene un ancho de banda menor: la energía presente en la antena se concentra en una banda de frecuencias más estrecha. La cantidad de resonancia viene dada por un número llamado "factor de calidad", o Q. Al factor Q lo afectan los valores de la inductancia, capacitancia y resistencia de la SMLA. En particular, cuanto menor sea la resistencia, mayor será el valor de Q. Al fabricar una SMLA es importante reducir lo máximo posible la resistencia eléctrica para obtener el mejor valor de Q.

Hay otro motivo por el que es importante reducir la resistencia eléctrica si queremos fabricar una SMLA capaz de transmitir: la resistencia a la radiación de la antena es muy pequeña, en el orden de miliohmios, así que cualquier resistencia adicional reduce muchísimo la eficiencia de la antena.

La gente como yo, que estamos acostumbrados a tratar con corrientes continuas, tendemos a pensar que para lograr esto tenemos que utilizar cables de calibre grueso, soldar todas las conexiones para reducir las pérdidas de contacto, etc. Hace un par de semanas medí la resistencia de mi SMLA y obtuve un valor de 50 miliohmios, que no suena tan mal; sin embargo, el factor Q de mi antena parecía bastante bajo y nadie era capaz de oír mis transmisiones.

De lo que no me había dado cuenta es de que las corrientes alternas (y las ondas de radio que circulan por un cable son corrientes alternas) no viajan ocupando toda la sección del cable, como lo hacen las corrientes continuas: existe un fenómeno llamado "efecto pelicular" por el que esas corrientes sólo circulan por la superficie del conductor (por su "piel"). Cuando mayor es la frecuencia, menos profundidad tiene esa piel: por ejemplo, en el cobre, a 14 MHz, la mayor parte de la corriente circula a menos de 17 micrómetros de profundidad.

La primera consecuencia de este efecto es que la resistencia de un cable no se reduce con el cuadrado del diámetro de su sección como ocurre con corrientes continuas, sino que se reduce linealmente con el diámetro. Por lo tanto, el uso de cable de grueso calibre no ayuda mucho. Lo que hay que utilizar en su lugar es cinta de cobre, ya sea plana o trenzada. La cinta trenzada tiene mucha área de superficie para su volumen, así que debería presentar una resistencia baja a la corriente alterna.

La segunda consecuencia es que se deben evitar las soldaduras: ya que la corriente circula por la superficie, los puntos de la superficie que estén cubiertos de estaño tendrán una conductividad menor que la superficie de cobre desnudo.

Teniendo esto en cuenta, ayer rehice las conexiones entre el bucle de cable y el condensador de mi SMLA, sustituyendo los cables de grueso calibre por cintas de cobre trenzadas. Las conecté utilizando tornillos y arandelas de manera que estuviesen bien apretadas contra los terminales del bucle y del condensador, asegurándome de que se esté tocando toda el área de superficie posible.

Con este cambio parece que ha aumentado el factor Q de mi SMLA: ahora puedo utilizar un ancho de banda de unos 40 kHz antes de tener que resintonizar la antena, mientras que antes podía utilizar unos 60 kHz. Esperaba ver también una mejora en el rendimiento en transmisión, pero lamentablemente nadie oyó mis transmisiones en todo el día de hoy. Supongo que mi antena aún no es lo bastante buena.

Puede que haya otra explicación a esta incapacidad de hacerme oír, no obstante. Usando una radio de onda corta pude oir señales espúreas alrededor de la señal que quería transmitir, y usando un receptor RTLSDR pude ver el espectro de radio que rodea a la frecuencia en la que mi transmisor estaba sintonizado, y había muchas espúreas e imágenes durante la transmisión. No sé si es un fallo de mi transmisor en particular o un fallo de diseño. En cualquier caso, esto me sugiere que tal vez se esté desperdiciando mucha energía en esas espúreas. Eso es definitivamente algo que tendré que investigar de nuevo a fondo.

Por qué a una señal de radio en código Morse la llamamos Onda Continua a pesar de que se enciende y se apaga

(Publicada originalmente en inglés en Google+).

Como muchos sabréis, últimamente me estoy dedicando a la radioafición. En este mundillo, el código Morse todavía se utiliza mucho, aunque ya no es necesario aprenderlo para sacarse la licencia de radioaficionado. Cuando dos operadores utilizan el código Morse para comunicarse, muchas veces utilizan un modo llamado "Onda Continua".

Durante bastante tiempo pensé que el de "Onda Continua" era un nombre bastante raro para un sistema de transmisión de código Morse. Podía constatar que, en efecto, hay una onda, que es la onda de radio sobre la que se modula el código Morse. Lo que no veía muy claro era el motivo del uso del adjetivo "continua". Al fin y al cabo, la onda se está encendiendo y apagando todo el rato; es precisamente la forma en la que se puede transmitir Morse. Si se enciende y se apaga, la onda no es continua. ¿Qué era lo que me faltaba por saber?

Lo que me faltaba por saber era que antes de que existiese la Onda Continua, ya había código Morse en la radio, que se transmitía utilizando un tipo de onda distinta: la Onda Amortiguada.

Una Onda Continua es una onda senoidal con una frecuencia determinada. Hoy en día nos es muy fácil producir ondas senoidales precisas y estables utilizando circuitos electrónicos bastante baratos. Sin embargo, en los primeros días de la radio no era así: no había circuitos osciladores electrónicos lo suficientemente buenos como para producir ondas continuas de calidad, así que las emisoras de radio utilizaban un mecanismo diferente para producir un tipo de ondas de radio diferente.

Este mecanismo era el transmisor a chispa. La idea general es que cuando hay un alto voltaje entre dos conductores separados por un espacio vacío se produce un arco eléctrico (una chispa). El transmisor contiene un circuito que, al prenderse el arco, produce una oscilación resonante, como el sonido de una campana golpeada por su badajo. Esta oscilación se pasa a una antena para transmitirla en forma de onda de radio, llamada "onda amortiguada" porque pierde amplitud con el tiempo, igual que el tañido de una campana.

Como la onda amortiguada sólo dura una minúscula fracción de segundo, el espacio en el que se produce la chispa está fabricado de tal manera que estas chispas se extinguen justo después de encenderse, y una nueva chispa se prende casi de inmediato, lo que produce una nueva onda amortiguada. De esta manera se producen muchas ondas amortiguadas cada segundo, igual que un timbre que suena de forma aparentemente continua porque el martillo golpea la campana muchas veces por segundo.

El inconveniente de los transmisores a chispa es que son muy ineficientes y producen una cantidad prodigiosa de interferencias, así que se invirtió mucho esfuerzo en descubrir una buena manera de generar una "onda continua" que no pierda potencia con el tiempo, de manera que se pueda producir una sola onda que luego se puede encender y apagar según se necesite.

Con el tiempo se desarrollaron varios sistemas, como generadores eléctricos de alta frecuencia, osciladores electrónicos, etc. Según éstos se hicieron más comunes, los viejos transmisores a chispa y las ondas amortiguadas que producían fueron relegados y, finalmente, prohibidos mundialmente (así de problemáticas eran las interferencias que producían).

Y ese es el motivo por el que a una señal de radio en código Morse la llamamos Onda Continua a pesar de que se enciende y se apaga.

Cómo funcionan las tarjetas de banda magnética

Durante la última semana he estado haciendo experimentos con un lector de tarjetas de banda magnética. En resumen, me he comprado el lector de tarjetas más barato que había en Amazon, lo abrí, le soldé unos cuantos cables, agregué unos cuantos componentes electrónicos, lo enchufé al conector de micrófono de mi ordenador y grabé cosas como esta: la señal en bruto procedente de una banda magnética. En este artículo voy a explicar cómo funcionan las tarjetas de banda magnética y cómo descodificarlas.

Las tarjetas de banda magnética fueron inventadas por Forrest Parry en 1969, que fue un año bastante prolífico en cuestión de pasos de gigante para la humanidad. La primera empresa en desarrollar y producir estas tarjetas fue IBM, que dejó las ideas básicas "abiertas" para que el resto de la industria pudiese desarrollar sus propios sistemas de tarjetas. Al poco tiempo, las industrias bancarias y aeronáuticas se reunieron y definieron un conjunto de estándares, de manera que todas las tarjetas magnéticas tienen el mismo tamaño, tienen la banda magnética en la misma posición, utilizan las mismas codificaciones, etc., etc.

La banda magnética es la tira, generalmente de color oscuro, que aparece en la parte de atrás de la tarjeta. En la banda magnética están grabados los datos de la tarjeta, pero para leer sobre cómo están grabados estos datos, antes tenéis que pulsar el enlace de "leer más".

Mystery signal challenge

I'm currently doing some experiments with electronics, and in the process I captured the signal you can find in the attached file. I captured it through my sound card's microphone input, and I've amplified it in software so it's easier to "appreciate". (Update: I've managed to perform a way better capture, so this is as it comes straight from the sound card, with no extra amplification.) Obviously I know what it is, but I'd like to know who among the people who happen to read this will also be able to identify it — and better yet, tell me what's in the signal.

One clue: this signal is produced by something that was invented in 1969.

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Cómo demodular radio FM estéreo

En el artículo anterior hablé de cómo demodular una señal de radio AM o FM, y en este artículo voy a hablar de lo que os encontraréis después de la demodulación (lo que di en llamar "el programa"). Tal vez os sorprenda que vaya a dedicar un artículo completo al asunto, pero, como podéis imaginar por su longitud, puede tener bastante tela. Al menos, para nuestro alivio, el asunto es muy sencillo en AM y en FM "mono": después de demodular la señal de radio, lo que tenemos es una onda sonora. Sin embargo, la cosa se complica cuando se trata de FM estéreo.

En un sistema de sonido monofónico sólo hay un altavoz, o hay varios altavoces pero todos reproducen la misma señal sonora. En un sistema de sonido estereofónico, en cambio, hay dos juegos de altavoces; uno que reproduce sonidos destinados al oído derecho y otros que reproducen sonidos destinados al oído izquierdo. Esto permite realizar efectos como hacer aparentar que un sonido procede de una determinada dirección (el sonido estereofónico se inventó para el cine en los años 30; la palabra "estéreo" viene de la palabra griega στερεός, que significa "sólido").

Cuando quisieron inventar un sistema para transmitir sonido estéreo por la radio, decidieron añadir esta capacidad a la radio FM. El objetivo era que una emisora FM pudiese transmitir sonido estéreo por el mismo canal que venía usando para el sonido mono de manera que las radios monofónicas que ya estaban en el mercado pudiesen recibir correctamente esas transmisiones estéreo, aunque (por supuesto) se escuchasen en mono. Para ello, las frecuencias audibles del programa demodulado deben contener una señal monofónica de manera que una radio FM mono pueda tratar el programa estéreo como si fuera un programa mono y que se oiga igual la música o las noticias o lo que sea. Sin embargo, no había nada que impidiese añadir más información en frecuencias superiores a estas frecuencias audibles. Lo que hicieron fue precisamente eso: generar una onda con toda la información necesaria para reconstruir la señal estereofónica y desplazarla en frecuencia hasta una frecuencia inaudible, y luego hacer que el receptor la vuelva a trasladar hasta las frecuencias audibles.

Tengo dibujitos y diagramas en el artículo completo, que podéis leer pulsando en "leer más". O podéis no pulsarlo y quedaros con la duda para siempre. Vosotros mismos.

Modulación en amplitud y modulación en frecuencia

Imaginad que tenemos un programa que queremos emitir por la radio. Este programa podría ser una canción, o un partido de fútbol, o un noticiero, o lo que sea. El programa puede ser en directo, o puede estar grabado en una cinta o en un CD o en un MP3. En todo caso, el programa se compone de ondas sonoras que queremos convertir en ondas de radio para que la gente pueda recibirlas y escuchar el programa en sus casas.

Obviamente, esto no es tan sencillo como enchufar directamente el micrófono o el reproductor de MP3 a la antena emisora. Si esto pudiese funcionar, sólo podría haber una emisora de radio en cada sitio. Además, las ondas de radio no se transmiten nada bien a las frecuencias de las ondas sonoras; para una buena transmisión, las ondas de radio necesitan tener frecuencias de cientos de miles o millones de ciclos por segundo. Por lo tanto, es necesario un proceso para convertir las ondas sonoras de baja frecuencia en ondas de radio de alta frecuencia; este proceso se llama modulación.

Pulsad en "leer más" para leer más. No pulséis en "leer menos" porque no lo hay.

Cómo funciona un descodificador de TDT

La TDT (Televisión Digital Terrestre) es un sistema de transmisión digital de televisión utilizando señales de radio transmitidas cerca de la superficie de la Tierra (en lugar de usar cable o satélites, que usan sistemas diferentes). En el sistema de televisión tradicional (analógico), las señales de radio representaban directamente las imágenes y sonidos transmitidos, mientras que en el sistema digital las señales de radio representan dígitos binarios que componen un "stream" digital de vídeo y audio. No os preocupéis por todas estas palabras raras, que si pulsáis en "leer más" os lo explico todo.

La transformada de Fourier y cómo sintonizar una radio

En el último artículo dije que había dos cosas súper importantes, hice un breve resumen de ellas e inmediatamente después terminé el artículo sin explicarlas mejor. Qué mala educación por mi parte. En este artículo no sólo voy a corregir ese paso en falso, sino que también hablaré de otras cosas que también os resultarán interesantes, como el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia (esos nombres parecen que cuadrarían mejor en una novela fantástica), cómo aumentar y reducir la frecuencia de una señal, y cómo funciona una radio. ¡Y no cuento más que una o dos mentiras!1

1 Podrían ser más.

Las ondas y los números complejos

En este artículo comento algunas de las cosas que se pueden hacer con números complejos. Hay dos formas de representar un número complejo: forma cartesiana y forma polar. Algunas operaciones con números complejos son más fáciles en forma polar y otras lo son en forma cartesiana, y este artículo se centra en la forma polar y en lo útil que es para hacer procesamiento de señales, que es un tema en el que estoy interesado últimamente.

Como bonus, para aquellos que hayan oído hablar de la Transformada de Fourier pero no entienden cómo funciona, este artículo puede servir de introducción. Ya hablaré de ella en más profundidad en otro artículo, y tal vez incluso despeje algunas dudas sin crear otras que las sustituyan :-)

Hala, pulsad en "leer más" para leer esta obra maestra de la literatura universal.