ES2352127B2 - Receptor superregenerativo para modulaciones binarias de fase. - Google Patents

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Abstract

Receptor superregenerativo para modulaciones binarias de fase.
Consiste en un receptor superregenerativo que permite la detección de modulaciones binarias de fase. El núcleo del receptor es un oscilador superregenerativo que realiza las funciones de filtrado y amplificación de cada pulso modulado en fase, preservando la información de fase de la señal de entrada. En cada ciclo de recepción de pulso, tras una fase de amplificación en modo superregenerativo, se conmuta la topología del sistema para formar un circuito inestable que exhibe una respuesta cuya componente dominante crece monótonamente en valor absoluto y su signo refleja la fase de la señal de entrada y, por tanto, los datos transmitidos. Consta de las siguientes partes esenciales: un sistema (5) con una entrada correspondiente a la señal modulada en fase (4) y una señal de salida demodulada (9). El sistema (5) está controlado por una señal de extinción (7) y una señal de cambio de topología (8) que actúa sobre un conmutador de topología (6). La señal de entrada (4) puede provenir bien de la señal de radiofrecuencia captada por una antena (1) y posteriormente amplificada por un amplificador de bajo ruido (2), bien de otro circuito o sistema de transmisión previo (3).

Description

Receptor superregenerativo para modulaciones binarias de fase.
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Sector de la técnica
La presente invención está relacionada, en general, con los sistemas de transmisión de datos. Más concretamente, la invención se refiere a la utilización de un oscilador superregenerativo en el terminal receptor para la detección de modulaciones binarias de fase, en cualquiera de sus variantes: de banda estrecha, de espectro ensanchado o de banda ultra ancha.
Los osciladores superregenerativos se utilizan en receptores de radio de corto alcance gracias a su gran sencillez, bajo coste y reducido consumo de potencia. Algunos ejemplos de aplicación son: sistemas de control remoto, sistemas de telemetría de corta distancia y sistemas de transmisión de voz. Habitualmente, los fabricantes de este tipo de receptores persiguen en sus diseños la obtención de un consumo de potencia muy reducido así como la fabricación masiva de unidades a un bajo coste.
Por otro lado, existe una creciente utilización de radioenlaces de datos de corto alcance, como parte de redes de área local inalámbricas (WLAN) y sistemas de comunicación personal (WPAN), que requiere el uso de terminales portátiles de tamaño, peso y consumo reducidos. Los estándares que regulan este tipo de comunicaciones utilizan las bandas de radiofrecuencia conocidas como ISM (industrial, scientific and medical), y también las de banda ultraancha, en las que es posible transmitir sin necesidad de licencia. Por un lado, las modulaciones de fase son de amplia Utilización en estos tipos de sistemas, gracias a que permiten un uso eficiente de la potencia de señal transmitida y, por consiguiente, una tasa de error de bit menor a igualdad de potencia transmitida. Por otro, y con el objetivo de maximizar las posibilidades de utilización del espectro radioeléctrico disponible, los nuevos estándares tienden a utilizar nuevas técnicas que persiguen diferenciarse lo más posible de las convencionales de banda estrecha, con el objetivo de proporcionar una serie de ventajas como son: mayor privacidad, mayor resistencia a interferencias y, especialmente, menor interferencia causada a otros enlaces para permitir así la coexistencia de múltiples sistemas.
La presente invención se caracteriza porque permite combinar las características propias de los osciladores superregenerativos, en términos de coste y consumo de potencia, con las ventajas inherentes a las comunicaciones que utilizan modulación de fase, tanto de banda estrecha, de espectro ensanchado como de banda ultra ancha.
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Estado de la técnica
La utilización de modulaciones de fase en sistemas de comunicación tiene como ventaja el hecho de que permite un uso más eficiente de la potencia de señal transmitida. En contrapartida, requiere habitualmente en recepción una arquitectura coherente, lo que conlleva una complejidad y un coste del receptor mayores. Entre los receptores más simples conocidos están los de tipo superregenerativo. Éstos se han utilizado tradicionalmente para la recepción de señales moduladas en amplitud, por la simplicidad asociada a la generación y recepción de este tipo de señales, y eventualmente en la recepción de modulaciones de frecuencia. Sin embargo, apenas se conocen estructuras superregenerativas que permitan la detección de modulaciones de fase. Un ejemplo es la estructura propuesta recientemente por investigadores de la Universidad Carlos III [Her-02], sin que ésta se haya llegado a implementar por completo en un receptor que funcione de forma totalmente autónoma. La presente invención utiliza una arquitectura alternativa que permite detectar modulaciones de fase y se caracteriza por ser muy simple, ofrecer un bajo coste y un consumo de potencia reducido, y permitir la operación totalmente autónoma como parte de un receptor.
El oscilador superregenerativo fue presentado por Armstrong en 1922 [Arm-22] como parte de un receptor y, desde entonces, ha sido utilizado en aplicaciones diversas. Durante la década de 1930 fue ampliamente usado por radioaficionados como un económico receptor de onda corta. Diversos sistemas de tipo "walkie-talkie" se basaron en este receptor por su reducido peso y coste. En la Segunda Guerra Mundial se utilizó como baliza para la identificación radar de barcos y aeronaves [Whi-50]. A medida que el transistor empezó a reemplazar al tubo de vacío, el receptor superregenerativo quedó relegado a aplicaciones muy específicas. Sirvan como ejemplo: radares ligeros [Mil-68][Str-71], espectroscopia de resonancia nuclear [Bat-76] [Sub-81], receptores alimentados por energía solar [Coy-92] e instrumentación médica [Cre-94]. El principio de operación del receptor superregenerativo se ha implementado también con éxito en el campo de los amplificadores ópticos láser [Der-71] [Esp-99]. Actualmente, las principales aplicaciones del receptor superregenerativo se encuentran entre los enlaces de radio de corto alcance en donde el bajo coste y un consumo de potencia reducido son factores determinantes. Entre dichas aplicaciones destacan: sistemas de control remoto (puertas automáticas, alarmas de automóvil, robots, modelismo, etc.), sistemas de telemetría de corta distancia, teléfonos portátiles y similares.
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Diversas innovaciones tecnológicas han ido apareciendo a lo largo del tiempo con el objetivo de mejorar las prestaciones del receptor superregenerativo. Se presenta a continuación una lista de patentes aparecidas en las últimas décadas:
1
La patente de Ver Planck et al. se titula "Superregenerative Mixers and Amplifiers" y describe un receptor superregenerativo que incluye un diodo túnel. El diodo túnel se utiliza para amplificar la señal de radiofrecuencia y para mezclarla con la oscilación local, proporcionando una salida de frecuencia intermedia. La oscilación local es un armónico de la frecuencia de extinción aplicada al diodo túnel.
La patente de Davis se titula "Transistorized Superregenerative Radio Frequency Detector" e ilustra un detector superregenerativo de radiofrecuencia transistorizado de autoextinción, que utiliza una frecuencia de extinción mucho más alta que los receptores superregenerativos convencionales.
La patente de Geller se titula "Digital Communications Receiver" y describe un receptor de señales de radiofrecuencia binarias. El detector superregenerativo proporciona una señal que, mediante una tensión constante de referencia y un comparador, genera una tensión de salida digital.
La patente de Minakuchi et al. se titula "Superregenerative Receiver" y describe un receptor superregenerativo que incluye un oscilador de extinción que permite convertir la señal recibida en una señal de baja frecuencia. El oscilador de extinción incluye un transistor, un circuito de retroalimentación positiva y un circuito RC.
La patente de Masters se titula "Superregenerative Radio Receiver" e ilustra un receptor superregenerativo especialmente adaptado para asegurar la estabilidad en frecuencia del receptor con respecto a una frecuencia preseleccionada. El receptor incluye un receptor superregenerativo con una antena montada en un recinto especial que incorpora una superficie reflectora de señales de radio.
La patente de Ash se titula "Superregenerative Detector Having a Saw Device in the Feedback Circuit" y describe un receptor superregenerativo que utiliza un único transistor con un dispositivo de onda acústica superficial en el lazo de retroalimentación, estabilizando así la frecuencia de oscilación.
La patente de Grindahl et al. se titula "Remotely Interrogated Transponder" e ilustra un transpondedor que puede Ser interrogado de forma remota. El receptor incluye un oscilador, un detector, un demodulador y un circuito lógico. Utiliza como dispositivo selectivo en frecuencia una sección de microstrip cortocircuitada de media longitud de
onda.
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La patente de Meierdierck se titula "Superregenerative Detector" y describe un receptor superregenerativo mejorado que incluye un amplificador operacional y una señal de referencia que actúan sobre el propio receptor con el fin de someterlo a un funcionamiento lineal.
La patente de McEwan se titula "Micropower RF Transponder with Superregenerative Receiver and RF Receiver with Sampling Mixer" y describe un transpondedor de radiofrecuencia que utiliza una adaptación del receptor superregenerativo en que el oscilador de extinción es externo al transistor regenerativo. El oscilador de extinción aplica una señal exponencialmente decreciente con el fin de conseguir una elevada sensibilidad y utiliza una configuración de alimentación que permite la operación con tensiones de alimentación muy bajas.
La patente de Mapes se titula "Superregenerative Oscillator RF Receiver with Differential Output" y describe un receptor superregenerativo con salida diferencial que mejora el margen dé operación de la señal de salida así como la sensibilidad, sin que ello perjudique el coste ni en el consumo de corriente del receptor.
La patente de Leibman se titula "Superregenerative Low-Power Receiver" y describe un receptor superregenerativo que incorpora un microprocesador cuya señal de reloj se utiliza para la extinción del receptor.
La patente de Lourens se titula "Q-quenching super-regenerative receiver" y describe un sistema de control del factor de calidad del oscilador superregenerativo que reduce el ruido generado en el receptor y mejora su sensibilidad.
La patente de Kim et al. se titula "A super regenerative receiver that uses an oscillating signal which is driven by a current equal to (bias current multiplied by N) + quench current" y describe un receptor que incluye un oscilador superregenerativo con control de polarización según la salida proporcionada por el oscilador superregenerativo y un circuito de control de anchura de pulso para la recepción de una señal de reloj predeterminada.
La patente de Pelissier et al. se titula "Dispositif et procédé de réception ultra-large bande utilisant un détecteur à super-régénération" y describe un dispositivo y el método para la recepción de impulsos de banda ultraancha mediante la utilización de un oscilador superregenerativo. El método es compatible con modulaciones de señal impulsivas de amplitud y/o de posición.
Recientemente han aparecido diversas publicaciones que presentan nuevos aspectos y realizaciones del receptor superregenerativo. Se presentan a continuación las más relevantes.
En [Lee-96] se pone de manifiesto la existencia de comportamientos caóticos en los receptores superregenerativos.
En [Jam-97] y [Buc-00] se presentan dos prototipos de receptor superregenerativo de alta frecuencia, concretamente en las bandas SHF y K_{A}, respectivamente.
En [Fav-98] se presenta un receptor superregenerativo de bajo consumo para aplicaciones ISM, integrado con tecnología CMOS de 0.8 \mum.
En [Vou-01] se describe un receptor superregenerativo de bajo consumo a 1 GHz, integrado con tecnología CMOS de 0.35 \mum. Este receptor incluye un control automático de ganancia.
En [Joe-01] se describe un transceptor superregenerativo de bajo consumo con control de tipo PLL compartido en el tiempo. El sistema incluye dos lazos de control: uno para el control de sensibilidad y selectividad y otro para el control de frecuencia.
En [Mon-00], [Mon-01], [Mon-02a], [Mon-02b], [Mon-05a] y [Mon-05b] los autores de la presente invención describen diversas adaptaciones del receptor superregenerativo para la recepción de señales de espectro ensanchado por secuencia directa.
En [Her-02] se describe un receptor superregenerativo adaptado para la recepción de señales moduladas en fase y en frecuencia. El oscilador superregenerativo se implemento mediante un sistema de retroalimentación que incluye una línea de retardo.
En [Oti-05] se presenta un transceptor integrado para redes de sensores inalámbricas que incorpora un oscilador superregenerativo estabilizado mediante un resonador de onda acústica volumétrica.
En [Wuc-06] se describe la utilización de un oscilador superregenerativo en un sistema radar incoherente de banda ultraancha.
En [Pel-06] se demuestra la viabilidad de los osciladores superregenerativos para la detección de impulsos de banda ultraancha.
En [Aye-07] se describe un transceptor superregenerativo adaptado para la transmisión y recepción de modulaciones binarias de frecuencia, el cual incorpora un oscilador superregenerativo cuya frecuencia de oscilación se modifica de acuerdo con los datos transmitidos o recibidos, según sea el caso.
En [Che-07] se presenta un receptor superregenerativo integrado que incorpora un sistema de autocalibración controlado digitalmente que permite la optimización dinámica de las características del receptor.
En [Gre-07] se describe un transceptor superregenerativo que opera con ciclos de trabajo muy bajos para reducir el consumo de potencia.
En [Mon-07] se presenta un receptor superregenerativo que opera síncronamente con los datos recibidos mediante un lazo de sincronización, logrando una alta velocidad de transferencia de datos.
Finalmente, en [Ani-08] se presenta un filtro superregenerativo integrado de banda ultraancha con señal de extinción síncrona para receptores de banda ultraancha de baja potencia y velocidad de transferencia de datos media.
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Descripción de la invención
La presente invención consiste en un procedimiento y su realización en forma de circuito para demodular señales de radiofrecuencia moduladas en fase. Es conocido que un oscilador superregenerativo genera una señal oscilante cuya fase viene determinada por la fase de la señal de radiofrecuencia presente a su entrada en los intervalos de sensibilidad del mismo. En la presente invención el sistema se configura en una primera topología en la que se aprovecha esta característica del oscilador superregenerativo para amplificar la señal de radiofrecuencia de entrada manteniendo su modulación de fase. Una vez que la señal del oscilador superregenerativo tiene amplitud suficiente, el sistema se configura en una segunda topología en la que el sistema exhibe una respuesta que contiene una componente dominante monótonamente creciente en valor absoluto y cuyo signo depende de la fase de la señal de radiofrecuencia presente a la entrada del circuito. De esta forma, la decisión acerca del dato transmitido resulta trivial.
La presente invención consta de las siguientes partes esenciales: un sistema (5) con una entrada correspondiente a la señal modulada en fase (4) y una señal de salida demodulada (9). Sobre el sistema (5) también actúa una señal de extinción (7) y una señal de cambio de topología (8) que actúa sobre un conmutador de topología (6). La señal de entrada (4) puede provenir bien de la señal de radiofrecuencia captada por una antena (1) y posteriormente amplificada por un amplificador de bajo ruido (2), bien de otro circuito o sistema de transmisión previo (3).
En el período durante el cual el sistema permanece en la primera topología (32), la señal de extinción (7) produce, en una primera fase denominada período de estabilidad (30), la extinción de las señales existentes en el sistema (5). En la siguiente fase, denominada período de inestabilidad de la primera topología (31), la señal de extinción (7) provoca que el sistema (5) se vuelva inestable, generando una forma de onda que conserva la información de fase contenida en la señal de entrada y cuya envolvente es creciente con el tiempo.
En el período durante el cual el sistema permanece en la segunda topología (33), el sistema exhibe una dinámica inestable en la que la componente dominante de la onda generada crece monótonamente y su signo refleja la fase de la señal de entrada.
Un circuito (15) que realiza estas funciones es el representado en la Figura 2. La señal de entrada es proporcionada por una fuente de corriente (10) conectada a un condensador (13), a una resistencia (14) que varía con el tiempo y, dependiendo del conmutador de topología (6), a un inductor (12). En esta representación el conmutador de topología (6) se comporta como un simple interruptor cuyo efecto es generar una dinámica de segundo orden cuando está cerrado y una dinámica de primer orden cuando está abierto. La resistencia (14) presenta un valor variable con el tiempo, pudiendo tomar valores positivos y negativos que se traducen, respectivamente, en que el circuito resultante es estable e inestable. Así, durante el período de estabilidad (30), el interruptor que actúa como conmutador de topología (6) está cerrado y la resistencia (14) presenta un valor positivo, con lo que la respuesta libre del circuito se amortigua exponencialmente, quedando únicamente la respuesta forzada debida a la entrada (10). Durante el intervalo de inestabilidad de la primera topología (31) el interruptor que actúa como conmutador de topología (6) está cerrado y la resistencia (14) presenta un valor negativo, lo que produce una respuesta sinusoidal de envolvente exponencialmente creciente. La apertura del interruptor que actúa como conmutador de topología (6) coincide con el inicio del período durante el cual el sistema permanece en la segunda topología (33), en el que la resistencia (14) presenta un valor negativo provocando que la respuesta libre crezca en valor absoluto con el tiempo. En la Figura 4 se ilustra el hecho de que la oscilación generada en el período de inestabilidad de la primera topología (31) conserva la información de la fase de la señal de entrada (4), por lo que el signo de la respuesta libre en el período durante el cual el sistema permanece en la segunda topología (33) indica si el dato presente en la señal de entrada es un "uno" o un "cero" lógico. El período durante el cual el circuito permanece en la primera topología (32) seguido por el período durante el cual el circuito permanece en la segunda topología (33) constituye un ciclo de recepción (34) que se repite sucesivamente de forma periódica o no periódica.
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Breve descripción del contenido de los dibujos
La Figura 1 muestra el diagrama de bloques del sistema que realiza el procedimiento objeto de la presente invención, el cual permite la detección de modulaciones binarias de fase. El sistema dispone de una señal de entrada (4) y una señal de salida (9), más una señal de control de extinción (7) y una señal de cambio de topología (8).
La Figura 2 muestra una realización en forma de circuito (15) del sistema objeto de la presente invención. El circuito (15) consta de una fuente de corriente (10), un inductor (12), un condensador (13), una resistencia (14) variable con el tiempo y un interruptor que actúa como conmutador de topología (6).
La Figura 3 muestra la tensión generada entre los terminales de la resistencia (14) en función del tiempo. El período durante el cual el sistema permanece en la primera topología (32) consta de dos intervalos: el período de estabilidad (30), en el que la señal se atenúa con el tiempo, y el periodo de inestabilidad de la primera topología (31), en el que la señal generada oscila con una amplitud creciente. El período durante el cual el sistema permanece en la segunda topología (33) se caracteriza porque la componente dominante de la tensión presenta un valor absoluto creciente con el tiempo. El período durante el cual el sistema permanece en la primera topología (32) más el período de tiempo durante el cual el sistema permanece en la segunda topología (33) constituye un ciclo de recepción (34).
La Figura 4 muestra dos pulsos de la señal de entrada (4) con oposición de fase y la señal de salida (9) correspondiente durante los respectivos períodos de inestabilidad de la primera topología (31) y de la segunda topología (33).
La Figura 5 muestra los detalles de la realización preferida.
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Descripción de una realización preferida
La realización preferida se basa en la utilización de un circuito RLC para la primera topología y un circuito RC para la segunda topología. La inestabilidad se logra gracias a la presencia de un amplificador operacional que genera una resistencia negativa. Tanto la estabilidad del circuito como la topología se modifican mediante interruptores analógicos controlados electrónicamente.
La Figura 5 muestra el esquema de circuito de la realización preferida. En ella se aprecia un generador de tensión (40) que actúa como fuente de señal acoplada a través de una resistencia (41) al circuito formado por un condensador (13) eventualmente conectado en paralelo con un inductor (12). Dicho conjunto está conectado a una resistencia negativa (43) realizada mediante un amplificador operacional y a una resistencia positiva (42) cuya función es modificar la resistencia neta del circuito, dependiendo de la posición del interruptor de extinción (44). El interruptor que actúa como conmutador de topología (6) efectúa la conmutación entre la primera topología y la segunda topología.
El ciclo de recepción (34) se inicia con el interruptor que actúa como conmutador de topología (6) y el interruptor de extinción (44) cerrados, configuración que da lugar a la primera topología, al ser la resistencia neta positiva y el circuito estable. Este estado se mantiene durante todo el período de estabilidad (30), en el qué cualquier señal residual generada en el ciclo de recepción anterior tiende a extinguirse. A continuación se abre el interruptor de extinción (44), desconectando la resistencia positiva, de forma que la resistencia neta pasa a ser negativa y el circuito a ser inestable. Este estado se mantiene durante todo el período de inestabilidad de la primera topología (31), siendo la respuesta del circuito oscilante de amplitud creciente y de fase controlada por la fase del generador de tensión (40). Seguidamente se abre el interruptor que actúa como conmutador de topología (6), desconectando el inductor, de forma que se obtiene la segunda topología, siendo la resistencia neta negativa y el circuito inestable. Este estado se mantiene durante todo el período de inestabilidad de la segunda topología (33), caracterizado porque la componente dominante de la respuesta es creciente en valor absoluto y su signo refleja la fase de la señal inyectada por el generador de tensión (40). Con la finalización del período de inestabilidad de la segunda topología (33) finaliza el ciclo de recepción (34), instante en que la detección de la fase de la señal inyectada por el generador de tensión (40) resulta trivial. El ciclo de recepción (34) se repite sucesivamente de forma periódica o no periódica.

Claims (8)

1. Procedimiento para la demodulación de señales con modulación binaria de fase, caracterizado por el hecho de que,
a)
la demodulación es realizada por un sistema que adopta sucesivamente dos topologías,
b)
en la primera de las topologías la dinámica del sistema es gobernada por una señal de extinción externa cuyo efecto es que el sistema se comporta inicialmente como un sistema estable, para comportarse posteriormente, por acción de la mencionada señal de extinción externa, como un sistema inestable en el que la forma de onda generada conserva la información de fase contenida en la señal de entrada y su envolvente es creciente con el tiempo,
c)
la fase inicial de estabilidad tiene duración suficiente para asegurar que, a su término, el nivel de señal de la respuesta libre es despreciable frente al nivel de señal de la respuesta forzada,
d)
en la segunda topología, el sistema presenta una dinámica inestable en la que la componente dominante de la respuesta tiene un valor absoluto que crece monótonamente y su signo refleja la fase de la señal de entrada.
e)
el período durante el cual el sistema permanece en la primera topología seguido por el período durante el cual el sistema permanece en la segunda topología constituye un ciclo de recepción que se repite sucesivamente.
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2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en la primera topología la dinámica del sistema es de segundo orden y en la segunda topología la dinámica del sistema es de primer orden.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que los ciclos de recepción se repiten de forma periódica.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la posición temporal de los ciclos de recepción responde a un patrón no periódico.
5. Circuito para la demodulación de señales con modulación binaria de fase, caracterizado por el hecho de que,
a)
el circuito adopta sucesivamente dos topologías,
b)
en la primera de las topologías la dinámica del circuito es gobernada por una señal de extinción externa cuyo efecto es que el circuito se comporta inicialmente como un sistema estable, para comportarse posteriormente, por acción de la señal de extinción externa, como un sistema inestable en el que la forma de onda generada conserva la información de fase contenida en la señal de entrada y su envolvente es creciente con el tiempo,
c)
la fase inicial de estabilidad tiene duración suficiente para asegurar que, a su término, el nivel de señal de la respuesta libre es despreciable frente al nivel de señal de la respuesta forzada,
d)
en la segunda topología, el circuito presenta una dinámica inestable en la que la componente dominante de la respuesta tiene un valor absoluto que crece monótonamente y su signo refleja la fase de la señal de entrada.
e)
el período durante el cual el circuito permanece en la primera topología seguido por el período durante el cual el circuito permanece en la segunda topología constituye un ciclo de recepción que se repite sucesivamente.
\vskip1.000000\baselineskip
6. Circuito según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que en la primera topología la dinámica del circuito es de segundo orden y en la segunda topología la dinámica del circuito es de primer orden.
7. Circuito según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que los ciclos de recepción se repiten de forma periódica.
8. Circuito según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la posición temporal de los ciclos de recepción responde a un patrón no periódico.
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