En agosto de 2010 el radioaficionado argentino Pedro Colla LU7HZ (de Argüello-Ciudad de Córdoba, Argentina) publicaba en el blog accesible desde su página Web una propuesta de realización de un sencillo transceptor QRP de BLU (Banda Lateral Única) que funciona mediante tecnología SDR, y al que denomina "Txiki".

QRP significa (para quien no lo sepa) operar con pequeñas potencias, por debajo de los 5 watios en antena, en lugar de las decenas y centenas de watios que suelen emplear normalmente la mayoría de los radioaficionados cuando operan en las bandas de HF. Hay muchos radioaficionados que gustan de emplear pequeñas potencias de transmisión (lo cual hace muy meritorio conseguir contactos a largas distancias con bajas potencias de transmisión, a veces de sólo unos cuantos miliwatios, potencias que denominan "QPPp"), e incluso de fabricarse pequeños transceptores QRP (de baja potencia), que normalmente suelen ser bastante sencillos y simples (esto es, con muy pocos componentes), siendo algunos de ellos realmente ultrasimples (un par de transistores, los componentes asociados, y poca cosa más...), pero que habitualmente son para operación en CW (Telegrafía), y además son de frecuencia fija (o ligeramente variable), al ser la señal obtenida mediante un oscilador a cristal de cuarzo.

Se pueden realizar sencillos transceptores QRP de fonía, que emplean la banda lateral, pero para que el montaje sea sencillo, emplean la modulación de Doble Banda Lateral (DBL). Pretender un sencillo montaje con Banda Lateral Única (SSB) es poco menos que imposible, ya que el sistema de modulación es bastante sofisticado como para ser implementado en un equipo transceptor casero realizado con pocos componentes.

LU7HZ resuelve este problema haciendo que el transceptor sea de tecnología SDR. SDR es el acrónimo inglés de "Radio Definida por Software", y significa que gran parte de las funcionalidades del equipo de radio (tanto en transmisión como en recepción) se realizan mediante un programa o software cargado en un ordenador personal, y en este caso este software es el encargado de generar las señales en banda lateral única en transmisión, y demodularlas correctamente en recepción. Dependiendo de la potencia del software SDR empleado, también puede modular/demodular en telegrafía (CW), Amplitud de modulación (AM), Frecuencia modulada (FM), o cualquier otra modulación que se le pueda ocurrir al diseñador del software SDR.

Los softwares SDR hacen uso de las propiedades procesadoras de la tarjeta de sonido equipada en el ordenador, ya que emplean el procesador digital de señal (DSP) que incorporan estas tarjetas para procesar digitalmente las señales recibidas y generar las señales a transmitir. Pero una tarjeta de sonido funciona con frecuencias bajas, en el rango de las bajas frecuencias, y un transceptor de radio opera en frecuencias muy elevadas. Por ello, en cualquier sencillo transceptor SDR, la circuitería externa, que es la que aquí se trata, ha de convertir señales de radio en señales de baja frecuencia para que sean compatibles con la tarjeta de sonido, y viceversa, con los requisitos adecuados. El software SDR realiza el resto, es el que realmente define las prestaciones del equipo de radio.

A continuación se explica el proyecto del tranceptor "Txiki, tal como lo explica Pedro Colla LU7HZ (con algunas pequeñas readaptaciones del texto y matizaciones) en su blog. No está aún totalmente depurado, pero este artículo sirve para ver cómo un complejo circuito (como un minitransceptor SSB) realizado de la forma tradicional se simplifica mucho gracias a la implementación de la tecnología SDR.

Uno de los proyectos que ha capturado mi atención desde hace ya algún tiempo es un transceptor SSB QRPp ultrasencillo. Una de las primeras entradas de este blog justamente compartía esta inquietud. Desafortunadamente la multitud de proyectos de distinto tipo que estuve realizando últimamente y el muy escaso tiempo disponible impidió que pudiera dedicarle el tiempo que me hubiera gustado y que requiere un proyecto de esta índole, que sin ser complejo, implica ir estudiando distintas alternativas para cada etapa y seguramente ir adaptando el sistema en forma iterativa. Hacer un diseño sencillo es una tarea ya hecha, basta referirse al diseño de Willo (LW3DYL) denominado "Gaucho Pobre", es muy dificil lograr un diseño mas minimalista que ese y que sea al mismo tiempo autonomo para un transceptor monobanda de SSB. La rueda ya está inventada y Willo es experto en lograr este tipo de circuitos.

Mi enfoque, sin embargo, asume trasladar una parte significativa de las funciones y la circuiteria a ser implementada por software mediante técnicas SDR. Utilizando un transceiver software (Nota: software SDR de transceptor de radio) como el M0KGK se dispone de una generación multimodo de señal que resulta en señales I/Q con una banda base de 50 KHz. (Nota: I y Q son dos señales exactamente iguales pero defasadas en 90 grados, condición imprescindible para el correcto funcionamiento de los radios SDR. Se dicen que ambas señales están en cuadratura de fase, donde I es la señal "en fase" y Q la señal desfasada 90 grados: "In phase", "in Quadrature" respectivamente).

Es decir, aun siendo mezclada con una frecuencia fija es posible generar señales 25 KHz a cada lado de esta frecuencia simplemente desplazando el espectro modulado en forma acorde. ¿Por qué 50 KHz y no 100 KHz, o la banda entera por caso?. Bueno, el límite de banda que se puede cubrir está dado por la velocidad de muestreo de la tarjeta de sonido del ordenador. Para una tarjeta de 16 bits (las mas comunes que casi todos los PC tienen) la frecuencia de muestreo es 48 KHz, y dado que se utilizan dos canales, el muestreo es el doble de veloz. Por su parte, el "teorema del muestreo" nos dice que la máxima señal que se podrá procesar es algo menor a la mitad de la frecuencia de muestreo (es decir algo menos de 25 KHz a cada lado).

Si se utilizaran tarjetas de mayor potencia (por ejemplo, de 24 bits, que ya son especiales) nada impediría que con el mismo diseño y retoques menores pudieran cubrirse 100 KHz de la banda objetivo.

Para obtener una señal utilizable en banda de radioaficionados es necesario mezclar las dos señales de audio I y Q con dos señales idénticas de RF de frecuencia fija (proporcionadas por el oscilador local de RF) defasadas en 90 grados (señales de RF I y Q). La modulación de la señal resultante será USB o LSB según sea el orden de la mezcla.

Al final la señal tiene que ser amplificada a un nivel razonable. ¿Cuánto es razonable? Para mí es en el entorno de 50 a 100 mW, es decir, suficiente para sostener contactos a nivel local. Añadir de un amplificador lineal de 15 o 20 dB seguramente podrá levantar la señal a niveles QRP para una actividad más amplia.

El receptor funciona en forma simétrica en la dirección opuesta: la señal de RF es mezclada en forma separada por sendas señales de oscilador de RF local defasadas en 90 grados. El resultado (dos señales iguales pero desfasadas 90 grados, señales I y Q) es ingresado a la tarjeta de sonido del PC donde el programa transceiver SDR aplica los algoritmos implementados para realizar la demodulación.

Este enfoque no es tan minimalista como parece en primera vista, después de todo necesita un PC para funcionar. Pero si ya dispone de PC, entonces lo que hay que implementar debería ser (una vez despulgado) relativamente sencillo como para poder ser abordado por un principiante.

Para minimizar el número de componentes tanto en los amplificadores de audio como en el de RF, deben ser diseñados para actuar como "bidireccionales", es decir, que mediante su polarización operen con la señal en un sentido u otro.

El número de componentes debe ser muy bajo, del orden de 3 integrados y otros tantos transistores. El resultado no necesitará ajustes críticos puesto que básicamente es necesario asegurar el arranque confiable del oscilador de RF y que el amplificador de RF esté apropiadamente sintonizado.

Diagrama de bloques del transceptor Txiki

El defasador se puede encarar de varias formas. Los que se basan en un circuito RC tienen la ventaja que pueden operar en la misma frecuencia de entrada y salida; su principal desventaja es la complejidad (y hasta cierto punto criticidad) de ajuste. En los antiguos generadores de SSB por método de rotación de fase (que en definitiva es lo que se implementa aquí) el problema crítico es el defasaje de la señal de audio, pero aquí eso está resuelto por los algoritmos (del software SDR) que corren en el PC. La señal monofrecuencia del oscilador local de RF no varía y por lo tanto el ajuste no tiene por que variar con la frecuencia de trabajo.

Otro enfoque, que utilicé con éxito en diseños previos, es recurrir a un defasador digital mediante un doble flip-flop. Este diseño tiene la desventaja que opera como divisor de frecuencia por cuatro (por lo tanto hay que entrar con una frecuencia de oscilador local de 4 veces la final) pero tiene como ventaja su enorme simplicidad y falta de ajuste: si las conexiones están bien hechas sale andando, si están mal hechas hay que hacerlas bien y listo. Para la banda de 80 metros (3,5 MHz) se necesita un oscilador de 14 MHz (20 mts); para 40 mts el oscilador tiene que estar en 10 mts (28 MHz); probablemente para bandas más altas habría que hacer algo más elaborado u otro tipo de defasador.

Como mezcladores se puede usar cualquier circuito que interrumpa el paso de la señal de audio al ritmo de la señal del oscilador local. He probado en un diseño anterior con éxito un mezclador basado en puertas lógicas de un integrado 4066. Este integrado proporciona 4 puertas inherentemente bidireccionales (lo que resuelve la necesidad del transceiver) y tiene una muy buen aislamiento entre sus entradas y salidas, por lo que la señal del oscilador prácticamente no está presente en la señal final de salida (lo que simplifica enormemente el circuito, y supone una buena supresión de portadora, algo muy necesario en la modulación SSB).

El oscilador de RF puede realizarse con un integrado TTL (una puerta NAND o inversora), aunque habiendo al menos dos puertas que no se van a usar en el 4066 es muy tentador usarlas como osciladoras (PY2OHH tiene un diseño de este estilo).

Los amplificadores bidireccionales son una materia interesante para experimentar. Un enfoque es hacerlos como en el diseño BitX20 donde dos transistores, dependiendo de la polarización aplicada, conducen en un sentido u otro en la misma etapa. Pero hay diseños más novedosos que aparecieron en la revista SPRAT (nº79 2004, p34-35) que con un solo transistor y una cuidadosa elección de las polarizaciones permite que el transistor opere en un sentido u otro. Otros circuitos similares aparecen en la revista CQ-QRP de Rusia (desafortunadamente en ruso, aunque nada que no pueda solucionar Google Translate). Ese mismo esquema puede ser utilizado en la etapa de RF. Aparte de requerir un solo componente para ambas direcciones en una etapa tiene la ventaja que reduce al mínimo indispensable las circuitería de conmutación.

Desde mi punto de vista el hecho de necesitar un PC no es un problema, no se requiere una CPU potente para correr el software SDR M0KGK y casi cualquier PC clónico algo antiguo debería poder servir. No obstante puede resultar intimidante para comenzar tener que lidiar con un software bastante potente (y sin ser inaccesible algo complejo).

¿Que se puede hacer con este diseño si no se dispone de un PC?

La respuesta es, basicamente un transcptor de "Doble Banda Lateral" (DBL)

Para ello es necesario implementar sólo uno de los amplificadores bidireccionales de audio y sólo uno de los interruptores (puerta del 4066). El amplificador bidireccional de RF es el mismo. El oscilador de RF podría ser mucho más sencillo pues no se necesita la etapa defasadora, pero no daña utilizar la misma cadena empezando en una frecuencia ×4 y luego tomando sólo una de las señales de fase (la I o la Q, es indistinto).

Diagrama de bloques del transceptor Txiki operando en modo DBL.
El desfasador del oscilador de RF incluso sería innecesario.

El receptor operará como receptor de conversión directa en este caso, con sus problemas de doble respuesta (Nota: Esto es, detecta indistintamente la USB y la LSB). El transceptor software M0KGK no será necesario para generar la señal pero podrá seguir siendo útil para recibirla, en particular gracias al uso de sus filtros digitales. La señal de audio no tiene que tener ningún tratamiento especial, sólo el nivel correcto de uno de los canales de la tarjeta de sonido bastará.

A menudo se dice que un receptor de doble conversión no puede recibir una señal de doble banda lateral. Eso es cierto para un receptor discreto y sin filtros, y sería por cierto una grave contrariedad para este diseño (supuesto que se lo implemente en esta forma limitada y no como un transceiver de SSB completo). Sin embargo con el filtrado disponible en el transceptor software M0KGK es posible tomar la banda lateral resultante que se desee y descartar la otra, por lo que el diseño puede "comunicar con sí mismo" (es decir, con un diseño similar utilizado por el corresponsal).

Dado que solo hay información de un canal de audio, el ancho de banda máximo que se puede sintonizar es de 25 KHz. En realidad se podrán sintonizar señales en 25 KHz a cada lado del oscilador local, pero no se podrá saber a qué lado pertenece. De hecho, si el oscilador está en 7030 KHz por ejemplo, señales en 7005 KHz y 7055 KHz se podrán escuchar pero se harán interferencia entre sí (por el efecto imagen del receptor de conversión directa).

El amplificador bidireccional de audio debe conectar la tarjeta de sonido con el mezclador de modo que adapte las impedancias y proporcione la necesaria conmutación entre recepción y transmisión. En el diseño completo se necesitarán dos de estos amplificadores, uno para transportar la señal I y el otro para la señal Q (conectadas respectivamente a las entradas estéreo R y L de la tarjeta de sonido. Nótese que en la mayoría de las tarjetas de sonido deberá usarse a este efecto la entrada 'Line In', puesto que la entrada 'MIC' no es estérea). En la versión reducida (transceptor DSB) sólo se necesitará uno.

Amplificador bidireccional de audio. Se necesita uno
para cada señal de audio en la versión completa SSB.

Este diseño, usado entre otros por Arv (K7HKL) en su diseño DSB-Mite, conmuta en una forma muy ingeniosa. Cuando se aplica tensión +RX el amplificador toma la señal del mezclador (Mix) y la entrega a la entrada de la tarjeta de sonido (LIn). El circuito equivalente (ver siguiente figura) se corresponde con un amplificador en base común.

La impedancia de entrada estará mayormente determinada por la resistencia de 220 ohms mientras que la de salida lo estará mayormente por la de 1K2 (impedancia habitualmente encontrada en la mayoría de las tarjetas de sonido). Los capacitores operan todos como desacople de la señal. La polarización de continua es tal que alimentado con 12V operará como un amplificador lineal tomando aproximadamente 3 mA de la fuente, el transistor disipará 23 mW, por lo que casi cualquier NPN (el 2N3904 es mi favorito para estos proyectos) va a funcionar bien.

Comportamiento del amplificador de audio en recepción

Cuando se aplica tensión al +TX la polarización cambia (ver siguiente figura) y la etapa se comporta ahora como un seguidor por emisor (Nota: La señal entrgada por la salida Spkr de la tarjeta de sonido pasa ahora al mezclador Mix). El funcionamiento es lineal y la impedancia de entrada es alta y dada aproximadamente por la combinación en paralelo de la resistencia de emisor (aumentada por el beta del transistor) y la resistencia de base. La polarización de continua es tal que la etapa toma ahora unos 5 mA de la fuente y consume aprox. 50 mW, sigue estando dentro del rango confortable de casi cualquier transistor NPN (y por cierto del 2N3904).

Comportamiento del amplificador de audio en transmisión

(Nota: No se ha comentado anteriormente, pero los softwares transceptores SDR deben proporcionar una señal de control para la conmutación TX/RX para la circuitería externa, típicamente se emplea para ello alguna de las líneas de salida de alguno de los puertos serie o puertos COM del PC).

Nada impide aplicar el mismo "truco" para hacer bidireccional el amplificador de audio a su equivalente en la gama de RF, en particular el amplificador lineal de salida a partir del mezclador. El circuito adjunto, originalmente sugerido por el gran Oleg (RV3GM) aplica distintos juegos de polarización para establecer el sentido de amplificación y el comportamiento del MOSFET.

Amplificador bidireccional de RF. Las tomas Mix+ y Mix- se conectan
a la toma RF del mezclador de cuadratura empleado (ver más abajo).

En recepción (+RX) el amplificador queda configurado como un "gate común", donde la señal es aplicada a la fuente y acoplada al mezclador mediante un circuito transformador de impedancia L2. La polarización de compuerta está dada por R2/R4. La polarización trata de minimizar el ruido de la etapa. En transmisión (+TX) la señal ingresa por el transformador L2 a la etapa configurada como de "drenador común, C3 envía la señal a la puerta, la polarización se cambia ligeramente para permitir mejor linealidad y potencia a la etapa.

La configuración permite extraer la señal por la fuente y acoplarla a la antena. Este amplificador tiene mayor ganancia para recepción que para transmisión y permitirá operar potencias de salida entre 50 y 100 mW dependiendo del transistor MOSFET utilizado y la polarización detallada utilizada.

El modulador balanceado en un diseño por rotación por fase, y tiene tres propósitos.

El primero es mezclar la banda base (en banda de frecuencias de audio, AF) de unos pocos KHz de ancho con la de un oscilador local no sólo para llevarla a un rango de frecuencias más cercano al espectro final, sino a la misma frecuencia final de trabajo. Al mezclar las señales se obtendrán las señales suma y diferencia (señales "productos" del mezclador) . Por ejemplo, si mezclo una banda base formada por un tono de 1 KHz con un oscilador local de 3,6 MHz tendré la señal suma en 3,601 MHz y la señal resta en 3,599 MHz. Desafortunadamente ambas están lo suficientemente próximas como para que eliminar una y retener la otra no sea un ejercicio sencillo.

En los generadores de SSB por filtro se utiliza un filtro a cristal extremadamente selectivo de tal manera que deja pasar un producto pero no el otro. El precio a pagar es que la frecuencia del oscilador local en el mezclador debe ser acorde al filtro (típicamente es de 9 MHz) por lo que la señal en la frecuencia deseada de trabajo requiere al menos un proceso de mezcla adicional (por ej., si se emplea un oscilador a cristal y un filtro a cristal de 9 MHz, con un oscilador adicional de 5,5 MHz y el mezclador correspondiente, se obtienen 3,5 MHz o 14,5 MHz).

El antiguo método de rotación de fase tiene la ventaja que el oscilador puede estar en cualquier frecuencia, siempre que tanto su señal como la banda base de audio estén disponibles en versiones idénticas pero defasadas en 90 grados (la explicación detallada del proceso ya se ha explicado anteriormente). En los generadores SSB analógicos de este método se defasa la señal de RF y la de audio con redes pasivas cuyo ajuste es crítico con la frecuencia (de ahí que actualmente no se emplee), por lo que conviene entonces seguir la estrategia utilizada en el método por filtro a cristal, con lo que al menos en parte se diluyen las ventajas que buscamos. El defasaje de la señal de audio tiene también su criticidad y no es difícil obtenerlo con un circuito simple siempre que se sacrifique precisión en el defasaje (lo que empeora la señal SSB final obtenida) u obtenerlo con un circuito un poco más complejo y de ajuste crítico.

Mezclador balanceado por rotación de fase. La señal 'OSC RF' procede
del oscilador a cristal, no representado, de una frecuencia 4 veces
superior a la frecuencia de operación. La toma 'RF' (a la derecha) se
conecta a las entradas 'Mix+' y 'Mix-' del amplificador bidireccional
de RF. Las tomas 'AF I' y 'AF Q' se conectan a la toma 'Mix' de cada
amplificador bidireccional de audio. Haz clic en la imagen para ampliarla.

Este circuito comienza con un oscilador a cristal en el cuádruple de la frecuencia central de trabajo (en este caso 3,578 MHz, por lo que el oscilador deberá ser de 14,3 MHz) cuyas opciones se verán por separado más adelante. La señal del oscilador, de nivel suficiente como para activar una puerta TTL, sirve de entrada a un circuito defasador compuesto por dos flip-flop tipo D (74LS74) a cuya salida se obtienen dos réplicas de la señal de oscilador defasadas entre sí 90 grados y con una frecuencia 1/4 de la original. Estas señales activan alternativamente las entradas de control de dos puertas analógicas bidireccionales (del circuito integrado 4066). Las puertas en sí son alimentadas por la banda base de audio (dos señales también defasadas entre sí en 90 grados, AF I y AF Q).

El efecto de interrupción periódica de una señal actúa efectivamente como un mezclador, o sea que a la salida de cada puerta analógica se obtiene la señal suma y la señal diferencia entre cada rama del oscilador de mezcla (señal interruptora) y su correpondiente banda base (señal inerrumpida periódicamente). Mezclando a su vez las salidas de las dos puertas se produce la eliminación de una de las dos bandas laterales, quedando una señal de SSB lista para ser amplificada.

El tercer propósito del mezclador es eliminar además la señal del oscilador local, cosa que se logra debido al excelente aislamiento entre la puerta analógica y la señal que la controla.

En principio puede parecer muy limitado el hecho de trabajar con una señal de oscilador "fija", pues pareciera que eso conduce inevitablemente a un generador/receptor de SSB también en una frecuencia fija, con lo restringido que esto es. Para variar la frecuencia se debería recurrir a una mezcla adicional, que es lo que justamente se quiere evitar. Al menos éste es el razonamiento desde quien analiza este circuito sin el contexto de como opera.

La señal de audio es en realidad generada por un software para SDR como, por ejemplo, el provisto por M0KGK. En el mismo la señal generada, que puede ser SSB o CW, está ubicada dentro de la banda base de acuerdo a cual se quiere sea el desplazamiento que se quiere obtener luego de una mezcla. Por ejemplo, si se quiere generar un tono de 1 KHz sintonizando en 3,590 MHz y el oscilador local de conversión es de 3,580 MHz, en realidad lo que genera el software SDR es un tono de 11 KHz, con lo que una vez mezclado y sintonizado en 3,59 MHz retorne un tono de 1 KHz.

Así como se hace con un tono (para operación en telegrafía, por ejemlo) se puede hacer con la banda base de una señal vocal, de aproximadamente 2,5 KHz de ancho de banda, la cual puede ser generada y desplazada en forma conveniente dentro de cualquier espacio dentro del espectro de 50 KHz que puede manejarse con una tarjeta de sonido convencional. Y procesos similares se pueden realizar para las modulaciones de AM o FM. De esa manera el transceptor puede hacerse de frecuencia variable aunque el oscilador local de RF asociado al paso de mezcla sea a cristal (frecuencia fija). Por otra parte, el defasaje de 90 grados entre las señales de audio generadas es obtenido matemáticamente (gracias a la potencia del software SDR) y no resulta afectado por la frecuencia donde estas señales se generen, con lo cual se elimina el problema que tiene la contrapartida por "hardware" de este circuito.

La recepción y la transmisión funcionan bajo el mismo principio: el uso de amplificadores bidireccionales (vistos anteriormente) tanto en audio como de RF permite controlar el flujo de la señal según se esté transmitiendo o recibiendo.

Fernando Fernández de Villegas (EB3EMD)
Octubre 2010

Recopilado del blog de Pedro Colla LU7HZ (agosto 2010)