Transmisor
En electrónica y telecomunicaciones, un transmisor de radio o simplemente transmisor es un dispositivo electrónico que produce ondas de radio con una antena. El propio transmisor genera una corriente alterna de radiofrecuencia, que se aplica a la antena. Cuando es excitada por esta corriente alterna, la antena irradia ondas de radio.
Los transmisores son componentes necesarios de todos los dispositivos electrónicos que se comunican por radio, como estaciones de transmisión de radio y televisión, teléfonos celulares, walkie-talkies, redes informáticas inalámbricas, dispositivos habilitados para Bluetooth, abridores de puertas de garaje, radios de dos vías en aviones, barcos, naves espaciales, equipos de radar y balizas de navegación. El término transmisor generalmente se limita a equipos que generan ondas de radio para fines de comunicación; o radiolocalización, como radares y transmisores de navegación. Los generadores de ondas de radio para fines industriales o de calefacción, como los hornos de microondas o los equipos de diatermia, no suelen denominarse transmisores, aunque suelen tener circuitos similares.
El término se usa popularmente más específicamente para referirse a un transmisor de transmisión, un transmisor utilizado en la transmisión, como en transmisor de radio FM o transmisor de televisión. Este uso generalmente incluye tanto el transmisor propiamente dicho, la antena y, a menudo, el edificio en el que se encuentra.
Descripción
Un transmisor puede ser una pieza separada de un equipo electrónico o un circuito eléctrico dentro de otro dispositivo electrónico. Un transmisor y un receptor combinados en una unidad se llama transceptor. El término transmisor a menudo se abrevia como "XMTR" o "TX" en documentos técnicos. El propósito de la mayoría de los transmisores es la comunicación por radio de información a distancia. La información se proporciona al transmisor en forma de una señal electrónica, como una señal de audio (sonido) de un micrófono, una señal de video (TV) de una cámara de video o, en dispositivos de red inalámbrica, una señal digital de una computadora.. El transmisor combina la señal de información a transportar con la señal de radiofrecuencia que genera las ondas de radio, que se denomina señal portadora. Este proceso se llama modulación. La información se puede agregar al portador de varias maneras diferentes, en diferentes tipos de transmisores. En un transmisor de modulación de amplitud (AM), la información se agrega a la señal de radio variando su amplitud. En un transmisor de modulación de frecuencia (FM), se agrega variando ligeramente la frecuencia de la señal de radio. También se utilizan muchos otros tipos de modulación...
La señal de radio del transmisor se aplica a la antena, que irradia la energía en forma de ondas de radio. La antena puede estar encerrada dentro de la caja o conectada al exterior del transmisor, como en dispositivos portátiles como teléfonos celulares, walkie-talkies y abridores de puertas de garaje. En transmisores más potentes, la antena puede estar ubicada en la parte superior de un edificio o en una torre separada y conectada al transmisor por una línea de alimentación, es decir, una línea de transmisión.
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Operación
Las ondas electromagnéticas son radiadas por cargas eléctricas cuando son aceleradas. Las ondas de radio, ondas electromagnéticas de radiofrecuencia, son generadas por corrientes eléctricas variables en el tiempo, que consisten en electrones que fluyen a través de un conductor metálico llamado antena que cambian su velocidad y, por lo tanto, se aceleran. Una corriente alterna que fluye de un lado a otro en una antena creará un campo magnético oscilante alrededor del conductor. El voltaje alterno también cargará los extremos del conductor alternativamente positivo y negativo, creando un campo eléctrico oscilante alrededor del conductor. Si la frecuencia de las oscilaciones es lo suficientemente alta, en el rango de radiofrecuencia por encima de unos 20 kHz, los campos eléctricos y magnéticos acoplados oscilantes se irradiarán desde la antena hacia el espacio como una onda electromagnética, una onda de radio.
Un transmisor de radio es un circuito electrónico que transforma la energía eléctrica de una fuente de alimentación, una batería o la red eléctrica, en una corriente alterna de radiofrecuencia para aplicar a la antena, y la antena irradia la energía de esta corriente en forma de ondas de radio. El transmisor también codifica información, como una señal de audio o video, en la corriente de radiofrecuencia que transportarán las ondas de radio. Cuando golpean la antena de un receptor de radio, las ondas excitan corrientes de radiofrecuencia similares (pero menos poderosas) en él. El receptor de radio extrae la información de las ondas recibidas.
Componentes
Un transmisor de radio práctico consta principalmente de las siguientes partes:
- En los transmisores de alta potencia, un circuito de alimentación para transformar la potencia eléctrica de entrada a los voltajes más altos necesarios para producir la salida de potencia necesaria.
- Un circuito de oscilador electrónico para generar la señal de frecuencia de radio. Esto generalmente genera una onda sine de amplitud constante llamada la onda portadora, porque genera las ondas de radio que "carry" la información a través del espacio. En la mayoría de los transmisores modernos, este es un oscilador de cristal en el que la frecuencia es controlada precisamente por las vibraciones de un cristal de cuarzo. La frecuencia de la onda portadora se considera la frecuencia del transmisor.
- Un circuito modulador para añadir la información que se transmitirá a la onda portadora producida por el oscilador. Esto se hace por variar algún aspecto de la onda de portador. La información se proporciona al transmisor como señal electrónica llamada la señal de modulación. La señal de modulación puede ser una señal de audio, que representa el sonido, una señal de vídeo que representa imágenes móviles, o para datos en forma de una señal digital binaria que representa una secuencia de bits, un bitstream. Diferentes tipos de transmisores utilizan diferentes métodos de modulación para transmitir información:
- En un transmisor AM (modulación de densidad) la amplitud (forzamiento) de la onda portadora es variada en proporción a la señal de modulación.
- En un transmisor FM (modulación de frecuencia) la frecuencia del transportista es variada por la señal de modulación.
- En un transmisor FSK (frequency-shift keying), que transmite datos digitales, la frecuencia del transportista se desplaza entre dos frecuencias que representan los dos dígitos binarios, 0 y 1.
- OFDM (ortogonal frequency-division multiplexing) es una familia de complicados métodos de modulación digital muy ampliamente utilizados en sistemas de ancho de banda alto como redes Wi-Fi, teléfonos celulares, radiodifusión digital de televisión y radiodifusión digital de audio (DAB) para transmitir datos digitales utilizando un mínimo de ancho de banda de radio. OFDM tiene mayor eficiencia espectral y más resistencia a la desaparición que AM o FM. En OFDM se transmiten múltiples ondas de radio de alta distancia en frecuencia dentro del canal de radio, con cada transportista modulado con bits de la corriente de bits entrantes para que se envíen múltiples bits simultáneamente, en paralelo. En el receptor los transportistas están desmodulados y los bits se combinan en el orden adecuado en un bitstream.
- También se utilizan muchos otros tipos de modulación. En los transmisores grandes el oscilador y modulador juntos a menudo se denominan el exciter.
- Amplificador de frecuencia de radio (RF) para aumentar el poder de la señal, para aumentar el rango de las ondas de radio.
- Un circuito de impedancia (afinador de antena) para transformar la impedancia de salida del transmisor para que coincida con la impedancia de la antena (o la línea de transmisión a la antena), para transferir energía eficientemente a la antena. Si estas impedancias no son iguales, causa una condición llamada ondas de pie, en la que el poder se refleja de vuelta de la antena hacia el transmisor, desperdiciando el poder y a veces sobrecalentando el transmisor.
En los transmisores de mayor frecuencia, en el rango de microondas y UHF, los osciladores de funcionamiento libre son inestables en la frecuencia de salida. Los diseños más antiguos usaban un oscilador a una frecuencia más baja, que se multiplicaba por multiplicadores de frecuencia para obtener una señal a la frecuencia deseada. Los diseños modernos usan más comúnmente un oscilador en la frecuencia de operación que se estabiliza mediante el bloqueo de fase a una referencia de frecuencia más baja muy estable, generalmente un oscilador de cristal.
Regulación
Dos transmisores de radio en la misma área que intentan transmitir en la misma frecuencia interferirán entre sí, provocando una recepción distorsionada, por lo que es posible que ninguna transmisión se reciba con claridad. La interferencia con las transmisiones de radio no solo puede tener un gran costo económico, sino que también puede poner en peligro la vida (por ejemplo, en el caso de interferencia con las comunicaciones de emergencia o el control del tráfico aéreo).
Por esta razón, en la mayoría de los países, el uso de transmisores está estrictamente controlado por ley. Los transmisores deben tener licencia de los gobiernos, bajo una variedad de clases de licencia según el uso, como transmisión, radio marina, banda aérea, aficionados y están restringidos a ciertas frecuencias y niveles de potencia. Un organismo llamado Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) asigna las bandas de frecuencia en el espectro de radio a varias clases de usuarios. En algunas clases, cada transmisor recibe un distintivo de llamada único que consiste en una cadena de letras y números que debe usarse como identificador en las transmisiones. El operador del transmisor generalmente debe tener una licencia del gobierno, como una licencia general de operador de radioteléfono, que se obtiene al aprobar una prueba que demuestra el conocimiento técnico y legal adecuado de la operación segura de radio.
Las excepciones a las reglamentaciones anteriores permiten el uso sin licencia de transmisores de corto alcance y baja potencia en productos de consumo como teléfonos móviles, teléfonos inalámbricos, micrófonos inalámbricos, walkie-talkies, dispositivos Wi-Fi y Bluetooth, abridores de puertas de garaje y monitores de bebé En los EE. UU., estos se rigen por la Parte 15 de las regulaciones de la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Aunque se pueden operar sin licencia, estos dispositivos generalmente deben ser homologados antes de la venta.
Historia
Los primeros transmisores de radio primitivos (llamados transmisores de chispa) fueron construidos por el físico alemán Heinrich Hertz en 1887 durante sus investigaciones pioneras de las ondas de radio. Estos generaban ondas de radio por una chispa de alto voltaje entre dos conductores. A partir de 1895, Guglielmo Marconi desarrolló los primeros sistemas prácticos de comunicación por radio utilizando estos transmisores, y la radio comenzó a usarse comercialmente alrededor de 1900. Los transmisores Spark no podían transmitir audio (sonido) y en su lugar transmitían información por radiotelegrafía, el operador tocaba una tecla de telégrafo. que encendía y apagaba el transmisor para producir pulsos de ondas de radio que deletreaban mensajes de texto en código Morse. En el receptor, estos pulsos eran audibles como "pitidos" en el altavoz del receptor y fueron traducidos de nuevo a texto por un operador que conocía el código Morse. Estos transmisores de vía de chispa se utilizaron durante las primeras tres décadas de la radio (1887-1917), llamados telegrafía inalámbrica o "chispa" era. Debido a que generaban ondas amortiguadas, los transmisores de chispa eran eléctricamente "ruidosos". Su energía se distribuyó en una amplia banda de frecuencias, creando ruido de radio que interfería con otros transmisores. Las emisiones de ondas amortiguadas fueron prohibidas por el derecho internacional en 1934.
Después del cambio de siglo, se empezaron a usar dos tecnologías de transmisores competidoras de corta duración, que fueron los primeros transmisores de onda continua: el convertidor de arco (arco de Poulsen) en 1904 y el alternador de Alexanderson alrededor de 1910, que se usaron hasta la década de 1920..
Todas estas primeras tecnologías fueron reemplazadas por transmisores de tubo de vacío en la década de 1920, que usaban el oscilador de retroalimentación inventado por Edwin Armstrong y Alexander Meissner alrededor de 1912, basado en el tubo de vacío Audion (triodo) inventado por Lee De Forest en 1906. Vacío Los transmisores de tubo eran económicos y producían ondas continuas, y podían modularse fácilmente para transmitir audio (sonido) utilizando modulación de amplitud (AM). Esto hizo posible la transmisión de radio AM, que comenzó alrededor de 1920. La transmisión práctica de modulación de frecuencia (FM) fue inventada por Edwin Armstrong en 1933, quien demostró que era menos vulnerable al ruido y la estática que la AM. La primera estación de radio FM obtuvo la licencia en 1937. Las estaciones de radio habían realizado transmisiones de televisión experimentales desde fines de la década de 1920, pero la transmisión de televisión práctica no comenzó hasta fines de la década de 1930. El desarrollo del radar durante la Segunda Guerra Mundial motivó la evolución de los transmisores de alta frecuencia en los rangos de UHF y microondas, utilizando nuevos dispositivos activos como el magnetrón, el klystron y el tubo de ondas viajeras.
La invención del transistor permitió el desarrollo en la década de 1960 de pequeños transmisores portátiles como micrófonos inalámbricos, abridores de puertas de garaje y walkie-talkies. El desarrollo del circuito integrado (IC) en la década de 1970 hizo posible la proliferación actual de dispositivos inalámbricos, como teléfonos celulares y redes Wi-Fi, en los que los transmisores y receptores digitales integrados (módems inalámbricos) en dispositivos portátiles operan automáticamente, en el fondo, para intercambiar datos con redes inalámbricas.
La necesidad de conservar el ancho de banda en el espectro de radio cada vez más congestionado está impulsando el desarrollo de nuevos tipos de transmisores como el espectro ensanchado, los sistemas de radio troncalizados y la radio cognitiva. Una tendencia relacionada ha sido una transición en curso de métodos de transmisión de radio analógicos a digitales. La modulación digital puede tener una mayor eficiencia espectral que la modulación analógica; es decir, a menudo puede transmitir más información (velocidad de datos) en un ancho de banda determinado que el analógico, utilizando algoritmos de compresión de datos. Otras ventajas de la transmisión digital son una mayor inmunidad al ruido y una mayor flexibilidad y potencia de procesamiento de los circuitos integrados de procesamiento de señales digitales.
Transmisor de brecha de chispa de Guglielmo Marconi, con el que realizó los primeros experimentos en comunicación práctica de radiotelegrafía de código Morse en 1895-1897
Transmisor de radiotelegrafía de alta potencia en Australia alrededor de 1910.
1 MW US Navy Poulsen arc transmisor que generó ondas continuas utilizando un arco eléctrico en un campo magnético, una tecnología utilizada para un breve período de 1903 hasta que los tubos de vacío se apoderaron en los años 20
Un alternador de Alexanderson, una enorme máquina rotativa utilizada como transmisor de radio a muy baja frecuencia desde alrededor de 1910 hasta la Segunda Guerra Mundial
Uno de los primeros transmisores de radio AM de tubo de vacío, construidos por Lee De Forest en 1914. El tubo temprano de Audion (triode) es visible a la derecha.
Uno de los primeros transmisores de radiodifusión de la BBC, a principios de 1920, Londres. Los 4 tubos de triodo, conectados en paralelo para formar un oscilador, cada uno produjo alrededor de 4 kilovatios con 12 mil voltios en sus ánodos.
El primer transmisor experimental de transmisión FM de Armstrong W2XDG, en el Empire State Building, Nueva York, utilizado para pruebas secretas 1934-1935. Transmitió el 41 MHz a un poder de 2 kW.
Conjunto de transmisores de un radar de control de tráfico aéreo de 20 kW, 9.375 GHz, 1947. El tubo magnético montado entre dos imanes (derecho) produce microondas que pasan de la abertura (izquierda) en una guía de onda que los conduce a la antena del plato.
