LA ANTIGUA MODULACIÓN

Y otros tópicos

Cuando regresé a la radio, hace cinco años, mis amigos radioaficionados me dijeron que la AM estaba extinguida. Tenía la impresión que la SSB era el único modo permitido de fonía en HF. Más tarde supe que la AM realmente no era ilegal y había unos pocos tradicionalistas usando AM en las bandas de fonía de 80 y 10 metros. Incluso escuché estaciones en AM en 15 y 160 metros. De hecho, puedes encontrar un uso para ello. Además, es un reto interesante un transmisor transistorizado modulado en AM.

AM casera

En los días de las válvulas de vacío muchos de nosotros construimos nuestros propios transmisores AM. Mi primer transmisor AM fue un Heathkit DX-20. Era un transmisor a válvulas de 50 vatios en CW, de construcción en kit, al cual añadí un modulador casero de AM. A diferencia de la SSB, la AM podía ser añadida a un transmisor de CW existente. En lugar de generar una señal AM de baja potencia y luego amplificarla con un amplificador lineal, en los viejos días el método usual era modular con AM el amplificador final del transmisor de CW.

En un osciloscopio, el distintivo de la AM es que, cuando no estás hablando, la onda portadora de RF sale continuamente a una potencia media. Esto es, en AM el pico de potencia más alto y la potencia cero solo ocurren en los picos de voz más altos. Aunque no podía ver estos picos transitorios en el osciloscopio, cuando intenté capturar uno con un osciloscopio con memoria, eran estadísticamente raros y no pude capturar un nivel de potencia cero. La forma de onda de abajo era típica de lo que veía.

En contraste con la AM, la amplitud de salida de RF en SSB siempre es cero mientras no estés hablando. Nota en la foto de SSB del osciloscopio de abajo que cada bache de RF representa el comienzo de audio desde cero. No arranca desde el punto medio de un nivel de portadora continua.

Moduladores de placa, pantalla y cátodo

Primeramente había tres métodos comunes de modulación AM. El método “Mercedes” era usar un “transformador modulador de placa”. El transformador imprimía la señal de audio en la corriente DC de alimentación. Esto es, según hablabas la corriente DC de entrada se elevaba y caía alrededor del nivel del que podía ser para una onda senoide de CW. Para un transmisor de 100 vatios, este transformador era aproximadamente del tamaño de un balón de voleibol, pesaba una tonelada y costaba una locura. El transformador era excitado con un gran amplificador de audio que ponía al menos el 50% de potencia de portadora de CW. En otras palabras, el modulador de placa era casi tan grande y caro como el resto del transmisor.

Las aproximaciones “Ford” y “Skoda” para la modulación AM eran modular la ganancia de la válvula amplificadora final inyectando el audio en la pantalla o cátodo respectivamente. Los moduladores de pantalla generalmente sonaban bastante bien. La modulación de cátodo, llamada algunas veces modulación Heizing, tendía a producir “bajada de modulación” lo cual significaba que la potencia disminuía mientras estabas hablando. Sonaba bien, pero tenía un uso ineficaz de la potencia de salida de RF. Estos métodos requerían menos potencia de audio que la modulación de placa y eran fáciles para un chico de instituto encararlo y construirlo.

Construcción de una moderna AM

Ahora en el 2003. La mayoría de los modernos transceptores de SSB tienen la capacidad de generar modulación AM. Para ir a este modo, lee tu manual durante 20 minutos, vete al menú #26, pulsa los botones número 14, 7 y 12 y ya lo has hecho. No era difícil, supongo. Pero ¿has aprendido algo?

Vamos a suponer que eres un fanático de la construcción casera y quieres construir tu propio transceptor AM usando transistores. ¿Es difícil? Uhmmm. Bueno, por una cosa, los transistores no tienen cátodos y rejillas de pantalla. Los emisores son análogos a los cátodos pero, como se explicó arriba, la modulación de cátodo no era del todo estupenda. Otra diferencia entre las válvulas y los transistores es que, para los mismos niveles de potencia, el transistor amplificador final tiene corrientes DC 50 veces mayores. De modo que para la modulación de alimentación DC, debes inyectar 10 o 15 amperios de señal de audio en la línea de alimentación de 12 voltios DC. El transformador de modulación tendrá que ser solo así de grande pero necesitará un arrollamiento de salida de super baja impedancia.

Modulando un transmisor de CW transistorizado de 50 vatios

Tengo un transformador “modulador de placa” de 25 vatios desde 1960, diseñado para usar con un modulador transistorizado. Ya que tenía arrollamientos primarios de baja impedancia, pensé que podría reutilizarlo y suministrar suficiente corriente excitadora de audio para construir un “modulador de colector” de AM. Usé una vieja válvula amplificadora de Hi-Fi de 10 vatios y se la uní. Definitivamente, incluso con música sonaba estupendo cuando la radiaba en una carga ficticia. Sin embargo solo modulaba aproximadamente el 30% de la amplitud portadora. Esto es, estaba gastando la mayoría de mi potencia de RF. Podría haber construido un amplificador de audio de 25 vatios, pero tenía una idea más moderna. ¿Por qué no usar mi manipulador CW MOSFET como modulador de audio?

El manipulador de arriba fue diseñado originalmente para encender y apagar la potencia DC a mi final con una llave telegráfica. Mi esquema de modulación AM era medio activar los MOSFET con un simple potenciómetro DC, luego modular las puertas con una señal de audio P-P de 12 voltios. Este esquema simple trabajaba bastante bien, pero era extremadamente enrevesado. Era fácil tener o demasiado balance o demasiado poco, o demasiada modulación o demasiada poca. El problema es que la característica de transferencia del voltaje de puerta contra la corriente de drenaje es bastante no lineal. Con realimentación y un circuito de excitación más sofisticado, creo que este método puede ser hecho para que trabaje bien.

La aproximación SSB para AM

En este punto de mi I+D no había logrado construir un transmisor SSB práctico. Así que en lugar de invertir más tiempo en “modulación obsoleta” volví a trabajar en SSB. Me figuré que si conseguía que la SSB trabajase, podría ser fácil modificar mi generador de SSB a AM.

Esto resultó ser cierto. Intenté varias variaciones. Sin embargo, el método que fue más simple y trabajo mejor fue cuenteando el filtro de cristal de SSB con un interruptor y desbalanceando el circuito modulador balanceado usando un circuito que recuerda el interruptor de CW.

La AM se parece a la CW en que es generada continuamente una portadora senoide. Sin embargo, el mismo interruptor “desbalanceado” usado como un interruptor de modo SSB/CW no puede ser usado para AM. Cuando es aplicada modulación, la potencia instantánea debe elevarse arriba y abajo del nivel de portadora no hablado. La modulación ideal de AM excita la portadora alternativamente entre cero y el 200% del nivel de portadora. Ya que hay mucha amplitud de señal para trabajar con ella, la portadora debe ser ajustada al 50% del nivel usado para CW. Esto da el rango disponible para modular al +/-100%. Un interruptor bipolar separado de modo AM puentea el filtro SSB y desbalancea el modulador un 50%. El interruptor AM está en serie con una resistencia ajustable de 5K que desbalancea el modulador justo lo suficiente para producir el 50% de la portadora.

El potenciómetro de ganancia de audio y tu nivel de voz deberían estar ajustados para producir picos de voz del doble del nivel de portadora. Comparado con la SSB encontrarás que la modulación AM es bastante Hi-Fi. Mientras probaba el generador y el transmisor en una carga ficticia de 80 metros, la música retransmitida desde un magnetófono fue bastante aceptable. En contraste, en el uso de SSB, la voz sonaba bien pero la música era realmente terrible. La diferencia principal es que el filtro de banda lateral atenúa mucho las frecuencias por debajo de 300 Hz mientras la AM mantiene las frecuencias bajas. En contraste, la voz transmitida en SSB puede sonar como la voz natural de la persona, pero la música en SSB es realmente terrible. Esto solo es bueno. Lo último que escuché es que la música en la radioafición todavía es ilegal.

COMPRESIÓN POR ACCIDENTE

O algunas veces tenemos suerte

Un moderno generador de banda lateral simple procesa el audio amplificado desde el micrófono antes de que el audio sea alimentado al modulador balanceado. Este proceso de “compresión” intenta equilibrar los picos de voz de modo que son transmitidos tantos elementos de voz como es posible con total potencia cubriendo los picos. Sin este proceso, la mayoría de lo que tienes que decir será transmitido con bastante menos de la potencia de pico nominal. Cuando la mayoría de tus frases están reducidas a un murmullo QRP, tu inteligibilidad sufre.

En otras palabras, sin compresión, la cobertura de RF de banda lateral única de una palabra hablada es cercana a cero la mayoría del tiempo. Se debería ver algo como la forma de onda mostrada arriba.

Un circuito compresor intenta dejar los picos solos mientras amplifica proporcionalmente los meneos sutiles de bajo voltaje de la onda cerca del eje horizontal. Supongo que los ultimísimos transceptores usan procesamiento digital para conseguir esta hazaña. Sin embargo hace 15 años un circuito compresor realizaba normalmente las siguientes tareas:

  1. amplificaba la onda de audio integra.
  2. recortaba los picos de audio más altos.
  3. y finalmente, filtraba el audio recortado con un filtro pasabanda de 300 Hz a 3 KHz.

Después de la compresión, la misma onda de RF de banda lateral podía verse como la foto de arriba. La idea es que todo el material diminuto cerca de cero haya sido expandido. (Estas formas de ondas no son realmente fotos de antes y después, pero ilustran el principio). Después de la transmisión algunos receptores modernos “re-expanden” la forma de onda para intentar restaurar la forma de onda original. Este procedimiento entero es llamado “companding” (compresión y expansión). No obstante, para mí, la construcción de un SSB casero que trabajase en todo se vio verdaderamente dificultoso. Por ello no me preocupé de situaciones como “companding”.

Un filtro de cristal hace más que recortar la banda lateral no deseada

Por otro lado, estaba atemorizado de que mi señal de RF pudiera ser demasiado ancha. Así que, ya que era relativamente fácil, construí un filtro pasabajos de audio de 3 KHz. Eliminó lo que no necesitaba. Una vez que había pasado la señal de doble banda lateral de RF de

9.000 MHz a través del filtro de cristal para cortar la banda lateral no deseada, encontré que el filtro también había eliminado virtualmente de cualquier modo todo por encima de los 3 KHz. También, cuando ajusté la frecuencia de la onda original para eliminar cualquier trazo de la portadora, encontré que el filtro también había recortado los 300 Hz inferiores del audio. Es destacable como puede sonar una voz normal sin los 300 Hz inferiores. La música suena horrorosa, pero las voces son bastante naturales. En ningún caso el filtro de cristal consiguió el mismo filtrado que lo especificado por el manual de la ARRL para el compresor de audio. ¡Interesante!

Un transmisor de SSB tiene varios amplificadores en serie

Después que ha sido generada la señal de RF SSB a un nivel de milivatios, la señal debe ser amplificada y convertida a la banda de aficionado deseada. Incluyendo el mezclador, esto significa que mi señal de SSB tenía que pasar a través de 5 etapas de amplificación para conseguir 100 vatios de pico. Cada etapa lineal es balanceada hacia delante de modo que incluso señales minúsculas serán amplificadas. Sin este balance, todo lo que escuchas son los picos de voces. En otras palabras, un amplificador no balanceado corta todas las pequeñas señales de audio que un compresor intenta acentuar. Sabía que la linealidad de todas estas etapas en serie no eran posiblemente “perfectamente lineales”. Pero ya que sonaba bien, no me preocupé de la linealidad.

¿Dónde ha ido toda la modulación AM?

No comprendí que mis amplificadores de RF eran significativamente no lineales hasta que añadí un modo Modulador de Amplitud a mi generador de SSB. Escuché mi pequeño generador de AM de 9 MHz en el receptor y sonaba estupendamente y se veía como al 100% de modulación en el osciloscopio. A continuación alimenté la señal del generador de AM de 9 MHz en el módulo “lineal” QRP de 80 metros lo cual sacó aproximadamente 3 vatios en 80 metros. Si, trabajaba, pero la señal era casi toda portadora. En lugar del 100% de modulación en 80 metros solo tenía aproximadamente un 5% de modulación. ¿De dónde había venido esa enorme señal portadora? ¿Qué le ocurrió a mi modulación?

Los transistores no son lineales

“Lineal” implica que señales grandes serán amplificadas tanto como las pequeñas. Sin embargo, si la salida pelada del transistor cubre la mayoría del rango de operación del colector, entonces las señales pequeñas serán amplificadas más que las grandes. Tengo dos transistores 2N3904 en mi cadena de amplificadores, tal como las características de corriente Base/Colector para este transistor son mostradas arriba. Nota que un miliamperio de corriente de colector requiere 0.017 miliamperios de corriente de base. Pero para conseguir 10 miliamperios de corriente de colector necesita 0.085 miliamperios. Eso es 5 veces más corriente de base para lograr 10 veces más corriente de colector. Pero si quieres 100 miliamperios de corriente colector necesitas 3.0 miliamperios de corriente base. Eso es unas 35 veces más adicionales de corriente base. Seguro que para mi se ve no lineal. ¡HEAQUÍ UN COMPRESOR NO LINEAL!

El amplificador “lineal” de arriba ilustra un circuito compresor accidental. La resistencia de 33K balancea el transistor activo de modo que incluso minúsculas señales de RF serán amplificadas. (Del mismo modo, la resistencia de 10K a través del inductor mantiene el amplificador oscilando cuando no hay señal de entrada). La razón principal para la resistencia de 120 ohmios es proporcionar realimentación negativa DC para hacer térmicamente estable el amplificador. Sin la resistencia del emisor el amplificador trabaja, pero el transistor corre extremadamente caliente. La resistencia del emisor también hace más lineal al amplificador que lo que podrían sugerir las características del transistor porque la realimentación restringe al transistor a un rango más estrecho de operación. Sin embargo la realimentación de 120 ohmios está a distancia de ser lineal. 470 ohmios son mejor, pero todavía está lejos de ser perfecto.

Bueno, ¿por qué pelearlo? Para solucionar mi modo AM reduje el desbalance del modulador balanceado a justo un pequeño porcentaje de los picos de voz. Esto me da grosso modo un 50% de portadora en el momento que llega al amplificador final. Y como para la SSB, ya trabaja bien. Aparentemente tenía todo un estupendo sistema trenzado de compresión a lo largo e incluso no lo sabía. ¡Imagina! ¡Un feliz accidente! No suelen ocurrir.

TELEVISIÓN DE AFICIONADO – El viejo modo Primero, un vistazo de la moderna TV de aficionado

Fui inspirado a escribir este artículo para mi noticiero local por Jim Andrews, WA0NHD. En nuestra reunión del radio club de agosto del 2003 nos dio una maravillosa presentación de una hora de duración de la moderna ATV. Nos mostró imágenes de osciloscopio y analizador de espectro formas de ondas de audio, RF y video y diagramas de bloques de todas las cajas negras necesarias. Al final de su presentación incluyó un recorrido por el equipo de TV de aficionado disponible comercialmente. Se concluyó que puedes poner una estación ATV de primer nivel por menos de 1000€. Menos si ya posees una cámara conveniente, antena, etc. Si planeas apoyar tu servicio de emergencia local y televisar tumultos y fuegos forestales, entonces necesitas una estación como la de Jim. En el lado contrario, si solo te gusta jugar con los circuitos como a mí, entonces construir algo de

TV casera de aficionado

Paradójicamente, uno de los mejores atributos de los viejos días era nuestra relativa pobreza y más bajo nivel de tecnología. Muchos servicios y mecanismos que son rutinarios hoy existían hace 45 años pero eran raros o inabordables. La telefonía a larga distancia, los walkie-talkies, el RTTY y las cámaras de TV son ejemplos obvios. La radioafición nos permitió a los chicos de instituto jugar con estos juguetes décadas antes de que fuesen baratos y incluso disponibles para adultos normales. Ya que nuestros juguetes fueron la novedad, estábamos excitados con ellos. Si muestras una cámara de TV a los chicos modernos se caen dormidos.

La TV me fascinó tanto como la radio de onda corta. Así que después de tener una estación de HF operativa quise tener una TV. En los años 50 la parte difícil de la TV de aficionado era la cámara. El modo más barato de conseguir una era comprar una cámara de bomba volante de excedente de la Marina de la Segunda Guerra Mundial. La Marina construyó bombas volantes radiocontroladas que podían impactar en navíos enemigos, al estilo kamikaze. Después de mucha búsqueda finalmente fui capaz de comprar una cámara con su enorme tubo de cámara iconoscópico. Desgraciadamente al final de los 50 encontrar un iconoscopio que todavía trabajase era difícil y el mío no funcionaba. En contraste, los monitores de TV fueron fáciles de conseguir. Recorrí las tiendas de reparación de TV y compre juegos viejos que sus dueños no querían pagar para reparar.

Una cámara de punto volante

Ya que las cámaras de TV de tubo estaban fuera de alcance, recurrí a usar un juego de TV como un escáner. Cartulinas o transparencias de papel de cebolla eran encintadas al tubo de TV. Un tubo foto-multiplicador 914 estaba montado en la caja de aluminio inclinada de la izquierda. El foto-tubo “miraba” a la luz desde una trama de foto vacía de TV pasando detrás de la diapositiva. El punto volante de luz escaseaba la diapositiva, una línea de cada vez. Ello tomaba cinco etapas de amplificación para ampliar la señal a los pocos voltios requeridos. Habitualmente usaba los pulsos en blanco de retorno desde la TV para hacer pulsos bastos de sincronización. Los pulsos eran combinados con la señal variante de luz para hacer una señal completa de TV. Cableé un conmutador de polaridad en mi circuito combinador de modo que mis transparencias pudiesen ser negro en blanco o viceversa.

La señal de TV era relativamente de alta frecuencia y era fácilmente separable de la señal constante de luminosidad de fondo. Consecuentemente no era necesario operar en la oscuridad o cerrar el escáner en una caja. El basto pulso vacío de sincronismo trabajaba, pero tiraba de la imagen abajo y a la izquierda. El modo fácil de conseguir pulsos reales de sincronismo era recibir el canal 4, luego eliminar la imagen. Mi señal de luz estaba recombinada con los pulsos del canal 4 y luego enviados al monitor.

Diversión con los puntos de vuelo

Obviamente no podíamos televisar incendios forestales con este escáner, pero jugamos con él de otras maneras. Cuando estás en el instituto, las tonterías pueden ser una gran diversión. Aparte de los patrones de prueba televisada me gustaba hacer siluetas de monigotes con las manos gestos con los dedos. Mis amigos y yo usábamos para dibujar transparencias de señal como “Socorro, estoy atrapado en tu televisor” o podíamos dibujar simples imágenes de dibujos y transparencias mostrando supuestos anuncios de TV humorísticos.

La sincronización de la imagen al canal 4 tenía una depravada ventaja más. Podía retransmitir imágenes y sobreimponerlas arriba de la transmisión del canal 4 real. Por ejemplo, tenía un pequeño recorte de un buitre que podía colocar en el hombro de David Brinkley durante las noticias nocturnas de Huntley-Brinkley de la NBC. Alternativamente, una silueta gigante en blanco de una mano podía deslizarse en la imagen y cosquillearle bajo la barba.

Normalmente solo transmitía este entretenimiento alrededor de la casa. Sin embargo, los chicos de la calle estaban interesados así que pensé “solo son unos pocos milivatios. Lo transmitiré por el canal 3. Son 6 metros en lugar de los 15 metros legales máximo, pero más allá de eso ¿cuánto más lejos puede ir? Mi pequeña transparencia y recorte mostrados para los chicos fueron estupendos. Nada más ocurrió hasta varios años después cuando Jim Synder, W0UR, estaba visitando mi cuarto de radio. Le hablé de mi primer proyecto de punto volante y dijo: “¡así que tu fuiste el culpable!”. Describió cómo su hermano estaba viendo la TV en su sala de estar al otro lado de la ciudad desde mi casa cuando de repente comenzó a chillarle a Jim para que viniese a ver la TV. Jim llegó en el momento de ver la palabra “SOCORRO” escrita encima del canal 4. Unos momentos después la misteriosa señal desapareció. Desenterré mis viejas transparencias para Jim y pensó que reconocía al culpable. Esto fue interesante porque nunca radié deliberadamente encima del canal 4 usando una antena exterior. Incluso en el instituto, no era tan negligente. Por el contrario, si mi banda lateral inferior estaba en el canal 3, la banda lateral superior debería haber estado en… el canal 4.

Transmitiendo adecuadamente en 420 MHz UHF

Desgraciadamente, siendo un chico pobremente equipado, era incapaz de generar y recibir una señal en 70 cm sobre cualquier distancia. Construí un pequeño transmisor de 420 MHz que parecía que trabajaba bien. Esto es, una resistencia de 50 ohmios de ½ vatio en la salida se calentaba y todas las etapas “reaccionaban” cuando se sintonizaban. Todo lo que podría decir es que trabajaba. En ese tiempo nunca escuché de filtrar la salida con un filtro de cavidad resonante para conseguir eliminar la banda lateral inferior, así que los restos de impresión de banda lateral eran felizmente ignorados. También construí un supuesto conversor de 420 MHz que recibía mi propia señal, aunque no tenía conocimiento de en que frecuencia realmente estaba emitiendo y recibiendo.

Otra barrera fue que ninguno de mis amigos aficionados estaba interesado en poner antenas de UHF, construcción de conversores y todo eso. Estaban todos demasiado ocupados con el DX, construyendo finales de kilovatios, walkie-talkies, RTTY y así. Teníamos todos diferentes intereses y el instituto era un tiempo ocupado.

Como puedes ver, mi proyecto de TV de aficionado no fue un éxito completo. Ello ilustra la dificultad con la construcción casera en VHF y UHF. Para asegurar que estás produciendo una señal de calidad en la frecuencia adecuada, necesitas un caro equipo de pruebas de UHF. Más aún, necesitas un alto nivel de destreza para controlar las oscilaciones no deseadas. Si los 10 metros son intrincados, ¡imagina los 0,70 metros para trabajar correctamente! Las únicas ventajas son que puedes usar bajos niveles de potencia QRP y compensarlo construyendo pequeñas antenas de alta ganancia. La mayoría de las dificultades con las bandas altas de HF ocurren cuando intentas generar altas potencias por encima de 1 vatio. En contraste con una pequeña antena en el tejado unos pocos milivatios de VHF o UHF pueden conseguir que abarques la ciudad.

En el lado contrario, mi proyecto de TV tenía montones de diversión y aprendí estupendamente. Cuando cacharreas, las recompensas son habitualmente bastante diferentes de la radio afición comprada en tiendas y puede ser bastante insospechada. Por ejemplo, ¿quién habría pensado que la televisión QRP podría trabajar tan bien?

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