Sencillo receptor de CW usando técnicas IQ y circuitos analógicos

Receptor IQ por técnicas analógicas para CW

Los receptores que emplean la técnica de conversión directa ha demostrado ser sumamente eficiente para lo sencilla que es. Uno de los grandes problemas que tiene esta técnica es que funciona en doble banda lateral por lo que en bandas congestionadas no es fácil escapar de las interferencias de la banda lateral no deseada. La selectividad necesaria es relativamente fácil de conseguir mediante filtros analógicos, pero rechazar la banda lateral no deseada requiere de soluciones más complejas.

¿Cómo resolver el problema de la banda lateral no deseada?. De forma tradicional con el superheterodino y filtros de cuarzo pero hay otra solución muy intersante,receptor con salida IQ y transformada hilbert hecha con circuitos analógicos. Para CW esto es muy sencillo y por tanto perfectamente viable.

 Circuito analógico para hacer la trasformada hilbert

La trasformada hilbert genera una señal desfasada 90º para todas las frecuencias que entran en el filtro. La trasformada de la función coseno es el seno. Por tanto necesitamos un circuito que haga esto para un segmento de frecuencias estrecho como para que sea eficiente en CW. Normalmente el ancho de banda para recibir CW es de 200Hz. Por tanto si podemos obtener una salida desfasada 90º en un segmento de frecuencias centrado en 650Hz, tendremos resuleto el problema de anular la banda lateral no deseada.
Un circuito sencillo para hacer esto es el de la figura adjunta.


V1 es la señal en cuadratura y V2 la señal en fase. El desfase que provocan los filtros es de 90º para frecuencias de 650Hz +/- 50 Hz. Estas frecuencias quedan rechazadas más de 50 dB cuando V1 va retrasada 90º respecto de V2 y deja pasar "todo" cuando es V2 la que va retrasa 90º respecto de V1.
En la figura adjunta podemos ver  el rechazo a la banda lateral no deseada. El rechazo máximo se produce en un segmento de frecuencias muy estrecho por lo que el resto de frecuencias hay que eliminarlas mediante otro filtrado pasobanda posterior.

Banda de paso de la banda lateral seleccionada.

 Para ver de forma clara la eficiencia del circuito vamos a ver el comportamiento en transitorio con dos frecuencias simultáneas. Una de 600Hz de la banda lateral deseada y otra de 700Hz en la nanda lateral no deseada.
El circuito de prueba queda montado de la siguiente forma:

 La señal a la entrada del circuito:

Las dos señales son de igual amplitud, pero cada una de ellas lleva dos frecuencias, la entrada en fase ambas frecuencias van con fase 0, pero al ser distintas aparece una señal con una envolvente que es la diferencia de frecuencias, en la entrada en cuadratura las señales van desfasadas una 90º y la otra -90º, respecto de la correspondiente de la entrada en fase. Pocemos ver que la envolvente de la diferencia de frecuencias  va desfasada respecto de la otra entrada.
El especgtro de entrada es el siguiente:
 
Tenemos dos frecuencias de igual amplitud, 600 y 70 Hz. En el espectro no se aprecia el desfase, solo las amplitudes.
El circuito va a retrasar 90º una de las salidas respecto de la otra y lo que se obtiene es:
 
 Aunuqe no es evidente, al sumar ambas señales la frecuencia de 700Hz desaparece (se atenua 50dB) y solo queda la de 600Hz.

Vamos a ver el espectro de salida para darnos cuenta de la atenuación que sufre la señal no deseada:

Con este sencillo filtro hemos conseguido hacer la trasformada hilbert para un segmento de frecuencias estrecho, pero que resulta muy eficiente para losencillo que es. Podemos estrechar o ensanchar el filtro ajustando R6. Para subir la frecuencia bajaremos el valor de los condensadores y para bajar la frecuencia se sube el valor de los condensadores. De esta forma podemos sintonizar el filtro al tono que más nos guste.
Tras este circuitop hay que colocar un filtro pasobanda que elimine las frecuencias próximas que no nos interesan.

Este fitro utiliza una cadena de filtro buterworth sintonizado en la banda de paso del filtro hilbert, Para producir unos flancos de caída más abruptos se suma la señal filtrada con una muestra de la señal prefiltrada a la antrada. Hay dos frecuencias en las que se produce un máximo de rechazo.

El efecto combinado de ambos circuitos es sorprendente, la banda lateral deseada tiene esta respuesta:

La salida a 600Hz es de 16 dB. Ahora vemos la banda lateral no deseada:

 La peor frecuencia rechazada es la de 200Hz que está en -28dB, por lo que la atenuación total es de 44dB y a 600Hz es de -31dB por lo que el rechazo es de 47dB.
Se puede mejorar un poco el rechazo a las frecuencias más distantes de la frecuencia central añadiendo un paso más de filtrado.

 La salida del filtro incluido el circuito hilbert es de 40 dB, para l abanda lateral deseada. Cambiamos la fase de la señal para ver la respuesta a la banda lateral no deseada:

El rechazo a la banda lateral no deseada es de 40 +12 = 52 dB que está determinado por el filtro hilbert, pero el resto de frecuencias estan ahora atenuadas más de 28+40=¡68 dB!.

Respuesta al impulso

¿Qué sucede con un filtro tan complejo cuando llega un impulso? Un punto a 20 palabras por minuto o más es como un impulso. Si aparece un efecto campana todo el trabajo hecho se va por el coladero del fregadero, por no decir otro sitio.
La señal a la anetrada del filtro Hilbert es la siguiente.

Corresponde a un punto a 40 palabras por minuto y la salida es:




 La señal de entrada es de muy baja amplitud para no saturar los amplificadores, la cadena tiene 40dB de ganancia. La salida es un pulso redondeado tanto el flanco de entrada como el de salida. La envolvente se mantiene plana, por lo que no se observa el efecto campana que es un desastre en CW.
A 12 ppm:

Conclusiones

Comparado con un DSP, esto no merece la pena. Demasiados componentes. Pero es un tecnología asequible para los no programadores y las prestaciones no son nada desdeñables.
Otra ventaja a tener en cuenta es que los operacionales no necsitan más de 1mA, por tanto se puede hacer un receptor de muy bajo consumo comparado a lo que necesita un DSP.

Referencias

En inglés:
https://www.dsprelated.com/showarticle/176.php
http://www.nxp.com/documents/application_note/an1981.pdf

Para saber de la transformada hilbert, tocho de matemáticas.
http://www.uv.es/hertz/hertz/Docencia/trabajos/Tema3.pdf
http://lmi.bwh.harvard.edu/papers/pdfs/1996/martin-fernandezCOURSE96.pdf