¿Por qué la recepción de radio consume tanta energía?

Question

En las radios de baja potencia, el consumo de corriente para la recepción es similar al consumo para la transmisión. Por ejemplo, la hoja de datos del System-on-Chip CC2652 de Texas Instruments afirma estos valores:

• RX en modo activo: 6,9 mA
• Modo activo de transmisión 0 dBm: 7,3 mA

He leído una explicación según la cual el componente que más energía consume es el oscilador local, que genera la onda portadora de alta frecuencia y necesita hacerlo tanto para la recepción como para la transmisión. Sin embargo, no me queda claro por qué la onda sinusoidal generada tiene que tener una amplitud similar en el caso de la recepción, en comparación con el caso de la transmisión. Una hipótesis alternativa es que el funcionamiento de todos los (otros) componentes analógicos y digitales de RF es lo que consume la energía. ¿Puedes aclarar la confusión?

Answer 1

En resumen: recibir es mucho más complicado que transmitir.

Notarás que todo lo que mides en el mundo real está recubierto de ruido.

El problema "al ver todo este ruido con un poco de señal, ¿cómo puedo saber lo que el transmisor quería transmitir?" es el problema central que intenta resolver la ingeniería de comunicaciones.

Por lo tanto, para recibir un par de bits correctamente, su receptor necesita

• recibir, aunque no haya señal en el aire, para notar cuando hay señal. Eso significa que toda la cadena de recepción, y un par de megamuestras por segundo ADC se ejecuta.
• Detecta algo así como un preámbulo. Eso suele implicar una correlación. Eso significa que, por cada nueva muestra (un par de millones por segundo), se toman las muestras más recientes, por ejemplo, 2000, y se comparan con una secuencia conocida
• Cuando se detecta realmente la señal, se corrigen todas las influencias del canal que son malas para su tipo de transmisión. Dependiendo del sistema, esto implica:
  • Corrección de frecuencia (no hay dos osciladores idénticos en este universo. Tu receptor tiene una frecuencia diferente a la de tu transmisor, y eso rompe básicamente todo lo que no es muy básico. Necesitas estimar el error de frecuencia, lo que normalmente implica rastrear los errores de fase, o hacer estadísticas, y luego multiplicar con un sinosoide sintetizado o ajustar un oscilador de gran potencia)
  • Estimación de la sincronización (su muestreo no está sincronizado con el momento en que el transmisor transmitió un símbolo. solucionarlo. Suele implicar multiplicaciones complejas, filtros de desplazamiento de tiempo u osciladores ajustables y que consumen mucha energía).
  • Ecualización de canales (la señal no sólo toma el camino más corto. Múltiples reflexiones llegan al receptor. Si la diferencia de tiempo entre el camino más corto y el más largo no es insignificante en comparación con la duración de un símbolo, hay que eliminar los ecos. Normalmente, implica la resolución de una ecuación con muchas incógnitas o algo similar, y la aplicación de un filtro, cuya complejidad es cuadrática a la longitud del canal, en el mejor de los casos)
  • Corrección de fase (su canal todavía podría rotar la fase de su símbolo recibido. Requiere un bucle de bloqueo de fase o algún otro mecanismo de control)
• Decisión sobre los símbolos (¡genial! Después de todas estas correcciones, usted, si todo va bien (casi seguro que no lo hace al 100%), sólo obtuvo el símbolo que se envió, más el ruido. Entonces, ¿qué símbolo se envió? Hacer una conjetura basada en un algoritmo de decisión definido, o hacer una conjetura y decir "estoy 89% seguro")
• Decodificación del canal (el transmisor no se limitó a transmitir los bits de datos, sino que añadió la corrección de errores hacia adelante redundancia que permite corregir los errores que aún se cometen. Estos algoritmos pueden ser très computacionalmente intenso).

Answer 2

Bueno, en primer lugar, se trata de un microcontrolador. La hoja de datos también dice que consumirá 3.4mA sin ninguna radio encendida, por lo que sólo puedes atribuir 3,5mA a la recepción de radio.

Y luego, si miras el diagrama de bloques, encuentras esto:

Así es, una radio definida por software con su propio Núcleo ARM. Esto permite, como dice TI, una gran preparación para el futuro; pueden añadir soporte para nuevos protocolos en la banda de 2,4 GHz con sólo lanzar un nuevo firmware para ese núcleo. Pero, ¿se puede culpar a una CPU que procesa digitalmente las señales de radio muestra por muestra si consume unos pocos milivatios de energía? Yo diría que es bastante eficiente para lo que es.

Answer 3

Sin embargo, no me queda claro por qué la onda sinusoidal generada necesita ser con una amplitud similar en el caso de la recepción, en comparación con con el caso de la transmisión.

La cosa es que no es una amplitud alta. 0 dBm de potencia de transmisión es 1 milivatio y una potencia de 1 milivatio a 50 ohmios es 224 mV RMS, es decir, una tensión pequeña pero, una tensión que también es más o menos correcta para una etapa de FI y un mezclador en un receptor.

Basta con mirar el consumo de corriente del transmisor: 7,3 mA. Si su fuente de alimentación es de 5 voltios, eso supone un consumo de energía de 37 mW para emitir 1 milivatio en la antena. No es eficiente.

Quizá sea más interesante preguntarse por qué el transmisor consume 37 mW para entregar 1 mW a su antena.

Tanto el transmisor como el receptor necesitan un oscilador, por lo que los sistemas de baja potencia consumirán más o menos la misma corriente si utilizan el mismo tipo de tensión de alimentación.

Answer 4

La fiabilidad de la señal puede mejorarse poniendo más potencia en la transmisión, o poniendo más esfuerzo en extraer una señal del "ruido" (señales cercanas no deseadas). La razón por la que los receptores de estas pequeñas radios necesitan más potencia que los transmisores es que la potencia del transmisor está restringida por la normativa sobre emisiones. Se podrían diseñar receptores de menor potencia si sólo tuvieran que recibir señales mucho más fuertes que cualquier otra señal cercana.

En comparación, un aparato de radio de cristal casi no consume energía, pero tendrá un rechazo muy pobre de la señal adyacente. He utilizado un aparato de cristal para recibir emisiones, pero estaba en una ciudad con una estación de radio AM local. No esperaría obtener buenos resultados tratando de usar un aparato de cristal en el área de Chicago, que tiene múltiples estaciones de AM de 50.000 vatios en 670, 720, 780, 890, entre otras (desafortunadamente, un cable se rompió en mi aparato de bigote de gato y tendría que desmontarlo bastante a fondo para repararlo).