Hemos visto en un artículo anterior cómo es posible hacer mediciones de frecuencia bastante respetables utilizando solo un receptor digital (sintetizado), siempre que se tengan un poco de cuidado e ingenio, pero aun así estamos limitados por la precisión en la esfera del receptor, debido al hecho de que está comparando la señal desconocida con el oscilador de referencia interno y el frecuencímetro, que probablemente tengan una precisión de aproximadamente 10 Hz, en el mejor de los casos. Si el receptor es analógico, estámos comparando la señal desconocida con un dial mecánico que probablemente solo tenga una precisión de 1 kHz o 0.5 kHz, con toda la suerte. También hay otros factores involucrados, por supuesto, pero esta es la situación general.
Para medir con precisión la frecuencia de una señal de radio desconocida, debemos comparar su frecuencia con un estándar conocido con precisión. Si nuestro objetivo es realizar mediciones de frecuencia fiables y precisas, por ejemplo, con una precisión de ± 5 Hz o menos, necesitamos un calibrador de frecuencia para calibrar el dial de nuestro receptor y un divisor de frecuencia que nos permita hacer una comparación directa entre las señales desconocidas y las de calibración. El dial del receptor, ya sea analógico o digital, le dará una indicación aproximada de la frecuencia de la señal y el calibrador le dará la diferencia fraccionaria de la indicación del dial.
Los calibradores de frecuencia o marcadores, son dispositivos simples y comunes a la vez en los mejores receptores analógicos, pero actualmente ya no lo son tanto. Hoy, es probable que tengan que construir uno Uds. mismos. Si no poseen uno o no puede encontrar uno para comprar, hay buenos circuitos disponibles.
Figura 1. Diagrama de bloques de un calibrador a cristal con divisores de frecuencia seleccionables, generador de armónicos y control de nivel de salida.
Un calibrador con una salida de 100 kHz, 1 MHz o incluso 10 MHz estará bien, pero 100 kHz es un buen comienzo y muchos negocios de rezagos de radio todavía venden el cristal de cuarzo piezoeléctrico necesario para ese rango. La salida de este calibrador se debe dividir por un factor 10 veces suficiente como para producir una frecuencia final de 1 kHz. Esto se puede hacer más fácilmente mediante el uso de etapas sucesivas con un integrado 7490 o equivalente que sirva para "dividir por 10". Use un interruptor de múltiples posiciones en la salida para que pueda seleccionar cualquiera de las frecuencias divididas por 10. Este circuito producirá un "peine" de frecuencias, con una señal de salida en cada armónico de 1 kHz, contra el que se puede comparar cualquier frecuencia desconocida. Es importante utilizar prácticas de diseño y construcción de circuitos de "conmutación rápida" para mejorar los armónicos de frecuencia más alta de esta señal de 1 kHz, para producir un nivel de señal suficiente que le permita hacer una buena comparación entre la señal desconocida y el armónico más cercano el calibrador.Al construir su calibrador, es muy importante lograr una buena estabilidad de frecuencia, tanto a corto como a largo plazo. Aquí hay algunos consejos para ayudarlo:
- Use una fuente de alimentación regulada para el circuito del oscilador.
- Use solo condensadores de alta estabilidad NP0 o similares con coeficientes de baja temperatura similares en el circuito del oscilador.
- Aisle el cristal del aire circundante encerrándolo en una capa de aislamiento de espuma de plástico blanco. Esta puede obtenerse de proveedores de insumos para la construcción. También es posible usar espuma cortada de un vaso de café descartable o material de empaque de los que se utilizan para envíos. Si es posible, rodee el cristal con aislamiento en los 6 lados, hasta un grosor de uno o dos centímetros o más (Sugerencia: El sexto lado puede cubrirse colocando algo de aislamiento en la parte inferior de la placa de circuito impreso, frente al cristal).
- También es una buena idea colocar el circuito completo (sin la fuente de alimentación) en una caja o gabinete metálico o de plástico para reducir la circulación de aire.
- Mantenga el calibrador lejos de fuentes de calor o frío; por ejemplo, no lo coloque encima de su receptor ni junto a una ventana abierta.
- Déjelo encendido y funcionando continuamente para evitar la deriva de frecuencia durante el calentamiento.
Utilizando el calibrador
Entonces, ¿cómo medimos la frecuencia de una señal desconocida con este calibrador? Idealmente, puede dejarlo encendido continuamente, para una estabilidad máxima. Debe verificar su frecuencia todos los días, comparándola con una estación de frecuencia estándar, como LOL, WWV, WWVH o CHU. Asegúrese de que la señal de su calibrador esté a batido cero con una de estas estaciones y revísela todos los días hasta que sepa cuán estable es su frecuencia. Use una perilla que sea fácil de ajustar en el eje del capacitor del circuito del oscilador. Con una recepción estable y una buena mano, debería poder ajustar el oscilador dentro de 1 o 2 Hz, o menos, de la estación de frecuencia estándar. La nota de batido será más fácil de detectar si la señal del calibrador tiene casi la misma intensidad que la estación de frecuencia estándar de su receptor. Recuerde, su medición de frecuencia final será tan precisa como la frecuencia de su calibrador. En algunas circunstancias, es posible que deba verificarlo y ajustarlo cada vez que quiera usarlo.
El primer paso es estimar la frecuencia de la señal desconocida al kHz más cercano o menos, usando el dial de su receptor. Si su receptor es analógico, querrá verificar el dial cerca de la frecuencia desconocida usando las salidas de 100, 10 y 1 kHz del calibrador (al sintonizar el receptor, cuente los marcadores de frecuencia, hacia arriba o hacia abajo, hasta llegar a lo desconocido: "hay 7000, hay 7010, 7020, 7019, 7018, ...") Esta primera estimación de la frecuencia desconocida es su punto de partida para el segundo paso.
El segundo y último paso es hacer una comparación de frecuencia directa entre la señal desconocida y la salida más cercana de 1 kHz del calibrador al medir la frecuencia de batido de audio entre las dos. De esta forma, eliminamos cualquier incertidumbre que pueda haber sido introducida por la sintonización del receptor.
Comparador de frecuencias de Lissajous
Una forma de hacer esta medición es usar el método de comparación de frecuencias de Lissajous (ver Figura 2). Conecte el calibrador al receptor, a la vez que la antena y ajuste la potencia de la salida del calibrador para que sea similar a la señal desconocida. El receptor debe estar en modo AM. Use un ancho de banda de 1 kHz si lo tiene, para evitar obtener resultados confusos. Conecte la salida de audio de su receptor a la entrada "Y" de un osciloscopio X-Y y el tono de un generador de audio simple a la entrada "X". Ajuste el tono del generador de audio hasta que coincida con la nota de batido del receptor (busque la "O" de Lissajous o círculo giratorio en la pantalla, de ahí el nombre) y luego mida la frecuencia del generador de audio con un frecuencímetro simple. Luego sume o reste la frecuencia de la nota de batido de audio de la frecuencia del armónico del calibrador más cercano (cuya frecuencia real ya conoce) y tendrá la frecuencia de la señal desconocida. La ventaja de este método es que el osciloscopio es solo un “display” de audio, el generador de señal de audio no necesita un marcado preciso y el contador solo tiene que medir frecuencias de audio (AF, no RF) con una precisión de, por ejemplo, 1 o 2 Hz.
Figura 2. Diagrama de bloques del método de medición de frecuencia de Lissajous, utilizando un osciloscopio de bajo costo, un generador de señal de audio y un frecuencímetro.
Comparación de frecuencia por analizador de espectro
Otra forma de lograr la misma medición es configurar el receptor en modo USB o CW y usar software de análisis de espectro FFT en una computadora para mostrar los tonos de los armónicos del calibrador desconocido y el más cercano y medir la diferencia entre ellos (ver la Figura 3). Con este método, no se necesita escuchar tanto la señal desconocida como el calibrador exactamente al mismo tiempo, y puede cambiar entre ellos, "antena" o "calibrador", haciendo la comparación de frecuencia con el cursor en la cascada acumulada en la pantalla del analizador de espectro. Después de hacer la misma aritmética que para el método Lissajous, tendrá la frecuencia de la señal desconocida. (Algunos softwares FFT le indicarán automáticamente la diferencia de frecuencia o "desplazamiento" entre dos señales seleccionadas en la pantalla).
Figura 3. Diagrama de bloques para usar un programa informático de análisis espectral para medir la diferencia de frecuencia entre una señal desconocida y el "peine" de los armónicos de 1 kHz del calibrador.
Una ventaja práctica del método del analizador de espectro es que es menos probable que deje el calibrador conectado al terminal de la antena de su transceptor, en caso de que transmita. Otra ventaja es que no necesita mucho equipo: solo una computadora personal y algún software de análisis de espectro. Una desventaja, es que necesita utilizar un software capaz de medir frecuencias con una precisión de 1 o 2 Hz para alcanzar el máximo potencial del método.
Un ejemplo
Por ejemplo, supongamos que han calculado que la portadora de la señal desconocida está entre 7017 y 7018 kHz, pero más cerca de 7018 (vean el diagrama a la derecha). Si es necesario, cuenten los armónicos de 1 kHz desde 7010 o bajen desde 7020 kHz para estar seguros. Ahora, con la señal desconocida y el armónico de 7018 kHz del calibrador en el paso de banda de su receptor, obtendrá una nota de batido de audio de aproximadamente 380 Hz. Asegúrense de usar un filtro IF angosto, digamos 500 Hz, para recibir solo la señal desconocida y el marcador de 1 kHz más cercano. Entonces, la portadora de la señal desconocida está en 7018,000 - 0.380 kHz, o 7017.620 kHz.Al calcular su resultado final, deberán considerar el posible error en su contador de frecuencia o en el analizador de espectro. El contador puede tener una incertidumbre de 10 Hz, lo que significa que su medida es precisa en ± 10 Hz. La lectura del analizador de espectro solo puede ser buena para ± 2 Hz, dependiendo del software que use y de las opciones de FFT que seleccione. En cualquier caso, tendrán que considerar estas incertidumbres como parte de su medición. Y no olviden que el calibrador puede no ser de batido cero con WWV. Todos estos errores e incertidumbres son aditivos, es decir, se suman. Algunos Hz aquí y otros Hz allá pueden sumar un gran error posible.
Probablemente, hayan notado que los dos métodos anteriores son básicamente los mismos, la única diferencia es la forma en que se visualiza y se mide la diferencia de frecuencia entre la señal desconocida y el armónico de 1 kHz más cercano del calibrador. Además, ambos se basan en los tres métodos descriptos en "Medición de frecuencias de radio", excepto que se ha agregado un calibrador para extender la precisión de las mediciones y el dial del receptor ahora se usa solo para obtener una indicación aproximada de la frecuencia desconocida.
Efectos de propagación
Mientras observan la figura de Lissajous en el osciloscopio, pueden notar varios efectos transitorios causados por cambios en la propagación de la señal. Estos cambios repentinos en la fase son causados por el desvanecimiento de la señal y los cambios de frecuencia Doppler que afectan la fase de la señal de radio antes de que llegue a su antena. Estos cambios afectarán la precisión de los resultados finales y pueden evitar que obtenga algo más preciso que aproximadamente ± 5 Hz durante condiciones ionosféricas perturbadas. No se preocupe, haga la mejor medición que pueda y grabe sus resultados, luego vuelva a escuchar al día siguiente cuando las condiciones sean más estables.
De forma similar, al observar la señal en la cascada del analizador de espectro, es posible que noten una ampliación o propagación de la señal, debido a los efectos acumulados por las mismas causas que se mencionaron anteriormente. Además, si tiene una antena direccional y se la apunta de un lado a otro de la dirección del transmisor, comprobarán que la frecuencia promedio de la señal cambia en 5 Hz más debido al desplazamiento Doppler diferencial (¡Estos efectos pueden convertirse en un estudio en sí mismos!).
Diviértanse midiendo frecuencias. Algunos de sus amigos probablemente piensen que están locos, pero es una habilidad muy útil para todo radioaficionado y aprenderán unas cuantas cosas.
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