TÓPICOS DE LA RADIOAFICIÓN 6: El mejor receptor es el más sensible?

¿La sensibilidad de los receptores es muy importante?

En el Test sobre tus conocimientos prácticos sobre la radioafición, nos preguntábamos qué había de cierto sobre ciertas ideas muy difundidas entre la radioafición, sobre si el mejor receptor es el más sensible y si esta es la característica más importante de un receptor, una cuestión que se comenta tan menudo en las bandas, que merece que la discutamos en el presente artículo:

La pregunta la formulábamos así: ¿La sensibilidad de un receptor es la característica más importante que debemos tener en cuenta al escoger un receptor de calidad?  ¿Verdadero o falso?

Y respondíamos que la respuesta correcta era que esta afirmación es muy falsa en HF. En las condiciones habituales de funcionamiento de una estación de aficionado, no sirve de nada tener un receptor muy  sensible, por debajo de las frecuencias de 25 MHz, porque el ruido eléctrico exterior total que llega al receptor  por la antena es muy superior al ruido generado en el propio receptor. Así que no nos sirve de nada tener el receptor más sensible del mundo porque recibirá exactamente lo mismo que un receptor más bien sordo con una antena dipolo o con una vertical.

En VHF la afirmación no es del todo falsa, pero sí bastante falsa, pues aquí también hay que tener en cuenta que, para la recepción de señales débiles, la sensibilidad de un “sistema” receptor (conjunto de antena y receptor) depende en gran parte de otros factores adicionales, concretamente de las pérdidas debidas a la longitud de la línea de bajada, lo que obliga al uso de preamplificadores en la antena, si queremos disponer de un sistema receptor medianemente bueno para la recepción de señales débiles.

Así que podemos decir tranquilamente que esta afirmación es falsa también en VHF, porque la sensibilidad del receptor deja de ser lo más importante y, en su lugar, el preamplificador colocado en la antena es el elemento fundamental.

Una relación señal/ruido positiva

La calidad de una señal captada en CW o en SSB viene dada por su relación señal/ruido. Es decir, que para poder escucharla con claridad, normalmente necesitamos  que la  señal supere al ruido en una magnitud que depende de la modulación utilizada y del ancho de banda del receptor. Cuanto mayor sea la diferencia entre  la señal y el ruido, mejor la escucharemos.

Eso significa que, para una buena recepción, debemos atender a dos frentes: Por una parte debemos intentar obtener la mejor señal posible, lo cual solo puede conseguirse mejorando en lo posible la antena y procurando que su ganancia sea lo mayor posible, es decir, maximizando la ganancia de la antena.

Por otra parte, debemos intentar minimizar el ruido total en el receptor, para lo cual debemos luchar en otros dos frentes: El ruido exterior captado por la antena y el ruido generado interiormente por el propio receptor.

La encrucijada: HF o VHF+

Nos encontramos en este momento en una encrucijada, un cruce de dos caminos, y debemos concentrarnos cada vez en uno de los dos, pues en las bandas de HF, el ruido exterior acostumbra a ser muy superior al propio ruido del receptor. En ellas no nos sirve de nada el mayor o menor ruido interno del propio receptor, pues por medianeja que sea su sensibilidad, es muy difícil que el ruido generado por el receptor sea superior al exterior captado por la antena. Hay que puntualizar que esto no siempre es así y más adelante en este artículo discutiremos los contados casos excepcionales en los que la sensibilidad del receptor puede ser importante. Véase el cuadro 1 para contemplar el panorama del ruido exterior  captado por un dipolo  de media onda en cada banda, en un lugar tranquilo y aislado en pleno campo, bien alejado de la civilización.

CUADRO 1

En cambio, en VHF+ (con el signo +queremos decir VHF y frecuencia superiores), el ruido exterior captado por la antena es generalmente siempre inferior al del propio receptor. De modo que aquí sí que tendría importancia optimizar el diseño del receptor  en cuanto al ruido, pues calidad de un receptor y su sensibilidad nos proporcionará un buen rendimiento.

La sensibilidad del receptor en VHF+ se mide generalmente comparando su NF (Noise Factor) o el Factor de Ruido del receptor. Pero, en la práctica, no nos basta un buen receptor, sino que tenemos que tener en cuenta que este ruido se compone en primer lugar del ruido producido por la misma antena, que equivale al generado por una resistencia de 50 ohmios,  y del ruido producido por las pérdidas en la línea de bajada, antes de sumarle el del receptor propiamente dicho. De modo que para obtener  el Factor de Ruido global de la instalación receptora, debemos tener en cuenta los tres elementos generadores de ruido: Antena (con o sin preamplificador), cable de bajada y receptor. El ruido combinado de los tres nos marcará  nuestro umbral de recepción, por lo que ya veis que, además de la sensibilidad del receptor, hay otros elementos que afectan a este límite de forma muy importante. Ver figura XX

Medidas de la sensibilidad en HF

Dados los dos caminos a recorrer, no nos debe extrañar que haya varias formas de medir la sensibilidad de un receptor. En HF se prefiere utilizar una medida de la Mínima señal detectable o MDS en lugar de comparar los ruidos generados por los receptores, mientras que en VHF+ se prefiere definir la sensibilidad de un receptor por el ruido que genera internamente, pues aquí es un factor importante, aunque no tanto como veremos posteriormente.

En HF la  sensibilidad de los receptores se acostumbra a comparar por medio de la MDS (Minimun Discernible Signal = Mínima señal  detectable), que consiste en la señal mínima de CW en dBm en bornes del receptor (estando equipado con un filtro de un ancho de banda de 500 Hz) que aumenta la tensión en el detector de producto en 3 dB sobre la tensión existente solamente escuchando el ruido propio del receptor conectado a una carga de 50 ohmios y esa cifra se da como sensibilidad MDS de un receptor.

También se comparan muchas veces por el llamado Noise Floor (algo así como Umbral de ruido) que, aunque tiene las mismas siglas que el Factor de Ruido, no tiene nada que ver con la cifra de Noise Figure o Noise Factor del los receptores de VHF y que es la cifra de la señal que iual el ruido propio del receptor en los bornes de la antena.

Así por ejemplo, un equipo Flex-5000 tiene una sensibilidad o Noise Floor (Umbral de Ruido) de -135 dBm con preamplificador activado. Para obtener la mínima señal detectable MDS deberíamos añadirle +3 dB y resultaría que la MDS o Mínima Señal Discernible sería de  -132 dBm, pues esa señal haría subir la medida del Smeter en 3 dB. ¿Fácil, no? Como podéis comprobar, queda más bonita la cifra de sensibilidad 3 dB más baja y por eso los fabricantes prefieren el Noise Floor o Umbral de ruido a dar la cifra MDS.

Medidas de la sensibilidad en FM en VHF+

Aquí tenemos que hacer un paréntesis para explicar que la sensibilidad de los equipos equipados solamente para la recepción de FM se mide de una forma distinta a la de los equipos preparados para SSB y CW, puesto que al incorporar una amplificación de FI muy poco lineal, e incluso con un limitador de amplitud, la medida no puede realizarse de la misma forma.

Para equipos de FM se prefiere utilizar el concepto SINAD  (Señal + ruido/ruido) que se refiere a la señal necesaria en microvoltios para obtener una relación SINAD  (S+N/N) de 12 dB, que es la mínima señal necesaria para obtener lo que se llama “full quieting” o silenciamiento completo del ruido de fondo de una señal de FM. A partir de ese nivel, se deja de escuchar el ruido completamente y bruscamente desaparece. Esa brusquedad hace que sea un punto muy adecuado para comparar la sensibilidad de receptores de FM.

El Factor de ruido del sistema receptor, esencial en VHF

En cuanto a los equipos receptores deVHF destinados a la recepción de señales débiles en  SSB y CW (y modalidades digitales) la medida de la sensibilidad nos la dará el menor Factor de Ruido generado por el equipo. Este factor de ruido es una medida del ruido generado por todos los pasos del receptor, trasladado a los bornes de entrada de la conexión de la línea de bajada desde la antena.

Sin embargo, por delante tenemos una línea de bajada con pérdidas y una antena con una temperatura de ruido que no podemos cambiar. Se toma como referencia la temperatura generada por una resistencia de la misma impedancia que la antena (50 ohmios) como generador de ruido a 290º K (17º Centígrados) que será la referencia para las comparaciones. Ese es un nivel mínimo que no podemos obviar fácilmente. En la práctica, para una antena de 50 ohmios este nivel mínimo para un ancho de banda de 500 Hz un receptor perfecto sin ruido tendría por lo menos un Noise Floor de-147 dBm.

Las pérdidas en la línea de bajada se añaden directamente como ruido al generado por el receptor. Sin embargo, un preamplificador colocado en la antena tiene la virtud de que su ganancia la podemos utilizarla para amplificar la señal y mejorar la relación/ruido sobre el ruido generado posteriormente. Si ahora intentamos trasladar todo ese ruido posterior a los bornes de la antena, el ruido interno del receptor quedará dividido por el factor (numérico) de ganancia de nuestro amplificador según la fórmula  F_s = F_p + (F_r-1)/G_p. Más adelante en este mismo artículopondremos un ejemplo de su aplicación práctica.

En HF manda casi siempre el ruido exterior

Podemos comprobar en el cuadro 1 que  el ruido exterior captado por un dipolo de media onda depende de la frecuencia y es distinto en cada banda, y este  ruido es la suma del ruido intergaláctico, el ruido solar, el ruido generado por Júpiter y el ruido atmosférico terrestre, generado tanto por las tormentas como el generado por el hombre y sus instalaciones eléctricas. En cada banda de HF suma una cantidad que en un ancho de banda de 500 Hz queda como indica la última columna del recuadro. Este ruido nos marca nuestro límite de sensibilidad con un dipolo. Y ese ruido es el resultante en un ambiente de campo tranquilo, alejado de zonas urbanas pobladas.

CUADRO 2

¡Y debemos tener en cuenta que ese ruido aumenta en como mínimo +10 dB en pueblos con cierta densidad de viviendas (sin bloques de apartamentos)  y debe incrementarse  en cerca de otros +10 dB si nos encontramos en un casco urbano, en el interior de una ciudad.

Podemos comparar estos niveles de ruido exterior con el cuadro 3 en que tenemos la sensibilidad de unos cuantos equipos comerciales,  y comprobar que la mayoría receptores, por medianejos que sean, a menos que estén cascados,  tienen una sensibilidad muy superior a la del ruido exterior captado en casi todas las bandas de radioaficionado, por lo que todos oirán lo mismo con la misma antena, a menos que estén en el lugar más silencioso del mundo eléctricamente hablando..

CUADRO 3

Ya podéis comprobar de qué sirve la sensibilidad del receptor en HF. Normalmente para nada,  especialmente si tu estación se encuentra en zona urbana. De todos estos equipos, solamente el Perseus podría perderse algo a partir de 25 Mhz si estuviera en una zona campo aislada sin ruido, nada que no se pueda mejorar con una buena antena directiva.

¿Una antena directiva mejorar la recepción en HF?

Pues sí, puede hacerlo. Respuesta afirmativa. En principio, si disponemos de una antena directiva, la ganancia de la antena nos aumenta tanto la señal como el ruido captado, si ambos proceden de la misma dirección. Así que, aparentemente no hay ninguna mejora. Pero lo más normal es que, si el ruido procede de todas las direcciones del espacio uniformemente repartido por una buena reflexión ionosférica,  no será captado del mismo modo por una antena directiva, que tiene una ganancia apreciable en una dirección determinada, pero cuya ganancia es muy inferior en otras direcciones que no coinciden con su lóbulo principal que por un dipolo como vemos en las figuras 1 y 2. El ruido captado será  muy inferior, mientras que la señal será aumentada con la cifra de la ganancia de la directiva.

Fig. 1ª: Ruido uniforme en Dipolo 1/2 onda	Fig. 1b: Ruido uniforme en directiva Yagi

El resultado muy interesante es que una antena directiva con una ganancia de +5 dBd o +7 dBi (normalmente una Yagi de 3 elementos) puede llegar a disminuir el ruido captado entre 0 y 7 dB, si el ruido procede más o menos uniformemente distribuido de todas las direcciones del azimut. Eso equivale a mejorar la sensibilidad del receptor por una cifra entre 0 y 7 dB.

Veamos casos extremos típicos

El ruido procede de la misma dirección que la señal

Si todo el ruido procede exactamente de la misma dirección en que se ha abierto la propagación y de donde precisamente estamos escuchando, no mejorará la sensibilidad de recepción de nuestro equipo de HF. Aumentará igualmente el nivel de la señal como del ruido y la relación señal (ruido permanecerá constante. No obtendremos ninguna ventaja con la antena directiva. Es la situación de la Figura 2.

Figura 2: El ruido procede de la misma dirección que la señal

El ruido no procede de la misma dirección que la señal

Sin embargo, si el ruido no procede de la misma dirección, podemos tener varios casos:

–El ruido procede uniformemente de todas las direcciones del espacio, pues la ionización es `óptima y de todas las direcciones llegan señales y ruidos. La mejora dependerá del diagrama de radiación y captación de nuestra antena directiva y mejorará la relación señal/ruido  en entre nada y un valor intermedio entre 0 y la ganancia máxima de la antena. Es el caso de la Figura 1

En este caso, podemos decir que nuestro sistema receptor ha mejorado su sensibilidad en la cifra que podría llegar hasta el valor de la ganancia de la antena (será un valor intermedio). Es como si tuviéramos un sistema más sensible entre 0 y 7 dB, pues ahora hemos reducido el ruido exterior en la misma cantidad. Podría ser que aquí consiguiéramos alguna ventaja en alguna banda con un receptor muy sensible y aprovechar su mejor sensibilidad .

El ruido procede de la dirección opuesta de la señal o llega por las puntas de la directiva

En el caso de que la mayor parte del ruido proceda de un punto opuesto a la dirección de la máxima ganancia, de la antena o llega de una dirección perpendicular  a la viga de soporte de nuestra directiva, podemos llegar a mejorar la sensibilidad  de recepción en el valor de la relación frente/espalda de la antena, una cifra que normalmente se acerca a los 20-30 dB. Casi nada. Es la situación que se muestra en la figura 3. Claro que esta es una situación muy excepcional y que se da muy pocas veces en la práctica.

Figura 3: El ruido procede de la espalda de la Yagi

Aquí sí que la mejor sensibilidad de receptor nos daría una ventaja excepcional, pues aquí sí que el menor ruido exterior captado habría que el mejor receptor obtuviera mucha mejor recepción que cualquier otro medianejo.

–El ruido llega con ángulos de elevación elevado y, en cambio, nos está entrando una señal DX por ángulos bajos de radiación, muy por debajo de la entrada del ruido. Si nuestra antena tiene un lóbulo con un ángulo de radiación muy bajo, puede ser también que obtengamos sensibilidades muy superiores  de recepción , gracias a haber colocado nuestra antena directiva a una altura apropiada para conseguir un ángulo adecuado para el DX.

Fig. 4: Yagi con ruido procedente de ángulos superiores

¿Cómo se valora pues la calidad de un receptor de HF? ¿Cuáles son las buenas cualidades que se deben exigir?

Pues por  muchos otros parámetros que no son precisamente la sensibilidad. Principalmente son los siguientes parámetros:

– El rango dinámico de bloqueo  para resistir señales fuertes adyacentes sin bloquearse.

– El rango dinámico de intermodulación que evita la mezcla de señales fuertes  adyacentes y el punto de intercepción de 3er orden que es una variante del anterior.

–El ruido de fase del oscilador local principal si es que lo lleva (Los SDR de conversión directa no llevan oscilador local que se mezcle con la señal).

El rango dinámico de bloqueo

El margen dinámico de bloqueo nos define la capacidad de un receptor para resistir la presencia de una señal fuerte interferente en las proximidades de la frecuencia que escuchamos (a 2 kHz o a 20 kHz ) sin reducir la señal de la estación que estamos .

Concretamente se define  por la diferencia de intensidad entre una señal que estamos escuchando al nivel del MDS y la intensidad de la señal interferente que hace que disminuya la recepción de la señal MDS de forma que dejemos de oírla, que desaparezca.

Los buenos receptores deben dar cifras por encima de los 100 dB de diferencia.

El rango dinámico de intermodulación de tercer orden y el punto de intercepción IP3

El margen dinámico de intermodulación de tercer orden nos define la capacidad de un receptor para resistir la mezcla de dos señales fuertes interferentes, alejadas de nuestra frecuencia de recepción en 2kHz o 20 kHz y separadas por estas distancias entre sí,  de modo que no generen productos espurios en la frecuencia que deseamos escuchar.

En el fondo esta es una medida de la linealidad de la amplificación del receptor, pues, igual que en los amplificadores lineales de potencia, un receptor debe generar las menos espurias internas posibles por intermodulación y siempre debe ser mucho más lineal que un amplificador de potencia.

Concretamente se mide por la diferencia de intensidad entre dos señales iguales, separadas por 2 kHz o por 20 kHz, las cuales, por mezcla entre ellas, generan una tercera señal espuria (un producto de tercer orden: 2f₂ –f₁ o 2f₁ – f₂) que empieza a superar el valor MDS.

Se consideran buenos valores de rango dinámico de intermodulación los que superan como mínimo los 80 dB de margen dinámico de intermodulación.

El punto de Intercepción de 3er orden IP3 es un valor hipotético que se calcula por las gráficas de evolución de los productos de intermodulación de 3er. orden y es una cifra que también nos permite comparar receptores por sus prestaciones frente a la intermodulación. Se consideran  valores buenos de IP3 los que  tienen valores positivos > +0 dBm y como muy buenos los que tienen un IP3 superior a +10 dBm.

El ruido de fase de los osciladores

Debido a que la amplificación se obtiene gracias a corrientes electrónicas, estas experimentan infinidad de choques aleatorios entre sí y con los átomos por los que circulan, lo que produce un cierto ruido de fondo térmico aleatorio que está superpuesto a la señal sinusoidal generada por un oscilador, a lo que llamamos ruido de fase.

El ruido de fase todos los osciladores se añade a la señal de entrada en los receptores superheterodinos en cada uno de los mezcladores, aunque modernamente todos los receptores actuales disponen de un solo oscilador sintetizado, de forma que todas las señales generadas se derivan de un sintetizador principal. Hemos de procurar que la señal generada por este oscilador sea lo más pura posible  y que la energía del ruido de fase quede muy alejada de la energía de la oscilación fundamental.

Se considera que un buen oscilador debe generar  a 2 kHz de la frecuencia principal un ruido que esté por lo menos por debajo de -100 dB de la potencia de la oscilación principal. Modernamente se están alcanzando osciladores que tienen un ruido de hasta -140 dB por debajo de la portadora principal en equipos nuevos.

¿Cómo se mide la calidad de un receptor de VHF+? ¿Debemos buscar el receptor más sensible?

¿El receptor más sensible en VHF+ es el mejor? No, tampoco.  Desgraciadamente, las pérdidas en la línea de bajada (N_L), que son considerables en VH+, se suman a la cifra de ruido del receptor (N_R) haciendo que sea mucho más sordo de lo previsto, tal como nos muestra la figura 4.

Fig. 5: Cifra de ruido en el receptor de VHF+

Para mejorar la sensibilidad de un receptor en VHF+ lo que debemos hacer es  colocar en la antena un buen preamplificador lo más sensible posible o, lo que es equivalente, del más bajo nivel  de ruido; es decir, que tenga un factor de ruido el más bajo posible y una línea de bajada con las menores pérdidas posibles, porque sus pérdidas irán a sumarse al Factor de ruido del receptor directamente, aunque con una desventaja compensable como ahora veremos:

Fig. 6: Cifra de ruido con preamplificador

Al disponer de ganancia el preamplificador, las pérdidas y ruidos posteriores quedan divididas por el factor multiplicador de ganancia del preamplificador. Así pues, en la figura 6, el resultado de la cifra de ruido global del sistema de recepción será:

Ns = N_P + (N_L+N_R-1)/Gp

siendo Gp la ganancia numérica del preamplificador o sea el antilog de Gp en dB/ 10.

Caso práctico en la figura 7

Si nos dicen que nuestro receptor tiene una cifra de ruido de 10 dB y nuestra línea de bajada tiene 3 dB de pérdidas (algo muy normal en un RG-8 de 30 metros en 144), nos encontraríamos con que nuestro sistema receptor  tiene ahora un ruido total (NL+NR) de 13 dB (Factor numérico 20 veces).  El ruido de la línea de bajada y el del receptor se suman directamente. Mal empezamos.

Fig. 7: Cálculo del ruido total con preamplificador

Supongamos que en la práctica colocamos directamente en la antena un preamplificador que tiene una ganancia de 20 dB (Factor numérico de 100 veces) y un factor de ruido de solamente 0,5 dB (Factor numérico 1,12). El factor de ruido de nuestro sistema se calcula de la forma siguiente, teniendo en cuenta que en la fórmula F_s = F_p + (F_r-1)/G_p   se deben utilizar factores numéricos y no en decibelios:

F_S = 1,12 + (20-1)/100 = 1,31 un valor numérico que equivale a 1,17 dB

Hemos pasado de un Factor de Ruido de 13 dB del receptor y la línea a solamente 1,17 dB de ruido aportado por el conjunto del sistema receptor. Casi nada. Hemos aumentado nuestra sensibilidad en 11,83 dB.

Como veis, todo el mérito es del preamplificador y la cifra de ruido del receptor influye de una forma insignificante al estar dividida por 100 (20 dB) de la ganancia del preamplificador.

La intermodulación es importante también en VHF+

Las señales fuertes de FM en VHF y UHF hacen mucho daño también a los receptores más sensibles de VHF+, porque generan productos de intermodulación y bloquean los amplificadores muy fácilmente, pues su intensidad  es considerable, especialmente cuando se enfocan las antenas hacia su dirección interferente y la presencia de preamplificadores agrava el problema de su intensidad y, en consecuencia, el bloqueo e intermodulación.

Necesitamos tener en cuenta cuidadosamente las prestaciones de intermodulación de los equipos de VHF+ si los queremos dedicar a la recepción de señales débiles, pues las de los receptores comerciales que hay en el mercado no son nada buenas, al intentar hacerlos muy sensibles por sí mismos, para hacerlos más comerciales.

Los operadores serios de VHF+ recurren al uso de transverters o transversores que convierten las señales de VHF+ a una frecuencia de HF (normalmente 28 MHz), colocados delante de buenos equipos de HF, con buenas cifras de bloqueo e intermodulación, para obtener de esta forma mucho mejores prestaciones las que proporcionan la mayoría de equipos de VHF+ del mercado.

Conclusiones:

La sensibilidad es una de las cualidades de un receptor que menos importa a la hora de elegirlo, sino que debemos fijarnos  mucho más en las prestaciones  de intermodulación y de bloqueo del equipo y, cómo no, en las prestaciones del ruido de fase y estabilidad del oscilador principal.  No nos dejemos deslumbrar por falsos espejismos de una gran sensibilidad.

Ya ha quedado demostrado que en HF la capacidad de recibir estaciones débiles queda mucho más definida por la antena que por el receptor. Y en VHF+, queda mucho más definida por las prestaciones del preamplificador que por las del receptor, sin olvidar que la ganancia de la antena tiene una importancia muy elevada también.

Ahora os tendría que quedar muy claro en qué elemento hay que gastar más dinero, ¿verdad? Siempre me ha maravillado que nunca haya conseguido convencer a los recién llegados a la radioafición de que es mejor gastarse el dinero en una buena antena que un buen equipo, pues siempre hacen lo contrario. Pero no nos desanimemos. Tal vez después de leer este artículo, algún novato se decida a hacer lo correcto ya de entrada. Me conformo con uno.

73 Luis A. del Molino EA3OG