Los equipos de libre uso PMR446

Dentro del ámbito de las comunicaciones personales libres por radio, desde 1998 se han ido reconociendo en los países de la Unión Europea el libre uso de equipos de radio portátiles tipo "walkie-talkies" bajo la denominación de equipos PMR446. El servicio PMR446 es el servicio de Radio Móvil Personal (PMR = Personal Mobile Radio), y el 446 indica que la banda de frecuencias donde opera este servicio es la de 446 MHz.

El servicio PMR446 ya fue planteado en abril de 1997, por el European Radio Communications Committee (Conferencia Europea de Correos y Telecomunicaciones, CEPT), y se decidió el uso de frecuencias de 446 MHz para este servicio. Se pensó en crear un espacio de libre uso dentro del espectro radioeléctrico para posibilitar las comunicaciones de corto alcance, en especial aquellas que pueda realizar un usuario casual y sin mayores conocimientos de la utilización de un sistema de radio, y sin necesidad de licencia administrativa de uso.

El primer país en introducir este nuevo sistema de comunicaciones personales fue Irlanda, ya en abril de 1998. Fue cuando aparecieron los primeros equipos PMR446 en el mercado. La norma europea definida por el CEPT para estos equipos (Norma ETSI ETS 300 296) estableció en noviembre de 1998, además de las características técnicas de los equipos PMR446, que éstos no requieren licencia de uso y que son de libre circulación por los distintos países europeos (donde este servicio esté permitido), y ello motivó la rápida expansión del uso de estos equipos en Europa. Gran Bretaña lo introdujo en abril de 1999.

Las especificaciones técnicas establecidas para estos equipos indican que han de ser equipos portátiles (de mano) con antena incorporada no desmontable (equipos tipo walkie-talkies), y sin posibilidad de conectar antenas externas. Tampoco está permitido el uso de estaciones repetidoras para aumentar el alcance de las transmisiones. Las condiciones técnicas de los equipos PMR446 establecen una potencia de transmisión máxima de 0,5 watios (de potencia radiada aparente), modulación FM de banda estrecha, y 8 canales en la banda de 446 MHz de 12,5 Khz de ancho de banda. Son potencias y espacios entre canales más que suficientes para no molestar ni ser molestado por otros usuarios del mismo servicio que se encuentren dentro del mismo área de cobertura de cada equipo.

En Estados Unidos la banda de 446 MHz está asignada a los radioaficionados, por lo que los equipos PMR446 europeos son ilegales en Estados Unidos. Sin embargo hay un servicio similar al PMR446, el "Servicio de Radio Familiar" (Family Service Radio, FSR), que autoriza el libre uso (sin licencia) de 14 canales de radio en las bandas de 462 y 467 MHz, empleándose equipos de radio portátiles tipo "walkie-talkies" con una potencia de transmisión máxima de 500 mW (dejando al margen las frecuencias de transmisión, los equipos FSR son muy similares a los PMR446 europeos).

Los equipos PMR446 han de disponer del conjunto de tonos subaudibles (subtonos) de control de squelch CTCSS (Continuous Tone-Coded Squelch System, Sistema silenciador codificado por tono continuo). Estos tonos son de muy baja frecuencia, por debajo de la banda vocal (por lo que no interfieren la transmisión de voz), y se emplean como control de silenciadores selectivos en los receptores de los equipos de radio: El receptor del equipo PMR446 se mantiene en silencio hasta que éste reciba una transmisión que junto con la voz lleve transmitido continuamente el tono CTCSS correspondiente al programado en el receptor. En este caso, se abre la recepción del receptor (se abre su circuito silenciador o squelch) y se puede escuchar la transmisión recibida, y se mantiene la recepción abierta mientras se siga recibiendo dicho subtono. Cualquier otra transmisión que reciba el receptor que lleve otro tono de control CTCSS distinto al programado en el receptor, no pasará al altavoz del equipo.

El uso de los tonos CTCSS permite que varios conjuntos de usuarios distintos puedan usar un mismo canal sin que cada grupo de usuarios escuche las conversaciones de los otros grupos del mismo canal (eso siempre que los distintos grupos de usuarios usen tonos CTCSS diferentes y no transmitan simultáneamente).

Al operar en la banda de UHF, y dado que la potencia de transmisión máxima autorizada es baja, 0,5 watios de potencia radiada aparente, dependiendo del entorno geográfico, se puede obtener alcances de las comunicaciones desde unos cientros de metros (en ciudad) a unos pocos kilómetros al aire libre (normalmente no más de 5-8 Km). En todo caso, el servicio MPR446 es para comunicaciones de cortos alcances, lo que es suficiente para la mayoría de los usuarios que utilizan este tipo de comunicaciones. Pero como en todas las comunicaciones por radio, el alcance de estos pequeños equipos depende de muchos factores, y está sujeto a condicionantes tales como la propagación de las señales en esas frecuencias (limitadas por el alcance óptico, al tratarse de frecuencias de la banda de UHF), la altura de los equipos sobre el nivel del suelo, la presencia de objetos que puedan provocar atenuación de las señales, y otros factores que pueden favorecer o perjudicar la distancia del enlace. Además influye también la calidad del equipo, ya que los de tipo profesional, tienen un alcance mayor que los equipos de tipo doméstico.

Lo habitual dentro de una ciudad convencional suelen ser alcances del orden de un kilómetro como máximo, mientras que en campo abierto y libre de obstáculos, o en el mar, los alcances pueden ser muy superiores, llegando hasta los 5-8 kilómetros de distancia, dependiendo de la calidad de los equipos empleados. Sin embargo, en circunstancias muy excepcionales de combinación de factores favorables (condiciones atmosféricas, altitud de los usuarios, trayectos sobre superficie llana, condiciones de propagación tropòsférica, etc...), se han conseguido alcances muy superiores, de hasta 500 Km, pero suelen ser casos puntuales y muy excepcionales.

Los repetidores para equipos PMR446

El corto alcance de los equipos PMR446 ha motivado que entusiastas de estos equipos busquen maneras de dar una mayor cobertura para sus comunicaciones, y una de ellas es la de intentar establecer algún tipo de repetidor de señales.

Sin embargo, los repetidores como tales no están permitidos en el servicio PMR446, esto es, no se pueden realizar equipos que reciban en un canal y retransmitan las señales recibidas al mismo tiempo por otro canal, como ocurre con los repetidores de radioaficionados ("repetidores dúplex"). Además, se ha de cumplir la normativa que establece que los equipos PMR446 son equipos de mano con antena incorporada no demontable, por lo que no se pueden utilizar equipos de otras características.

Una solución que se está aplicando es realizar un tipo de "repetidor simplex", popularmente denominado "Loro ("Parrot" en inglés) debido a su forma de trabajo: Un "Loro" lo que hace es repetir (como haría un loro real) las voces que escucha cuando uno deja de hablar, en el mismo canal de radio.

Más técnicamente, un "Loro" es un dispositivo externo que se conecta a las tomas para micrófono y altavoz externos del equipo PMR446, y básicamente es un grabador de voz digital que además se emplea como controlador del conjunto repetidor. Cuando se abre la recepción en el equipo PMR446, el "Loro" inicia la grabación de las locuciones y sonidos recibidos por el equipo PMR446 al detectarlos, con una duración máxima normalmente en torno a 20 segundos a dos minutos (dependerá del "Loro" empleado). Una vez el equipo PMR446 pasa a recepción (o el "Loro" detecta un silencio de más de 2-3 segundos, que interpreta como fin de la locución), el "Loro" pasa inmediatamente a reproducir las locuciones registradas, activando la transmisión del equipo PMR446, con lo que éste retransmite las locuciones grabadas por el "Loro".

Algunos "Loros" transmiten un sonido "bip - bip" durante la transmisión, para identificar a los oyentes su presencia, y un "beep" final cuando finaliza la transmisión del mensaje que está retransmitiendo. Una vez reproducido todo el mensaje, el "Loro" desactiva la transmisión de voz, borra la locución registrada en su memoria digital, y se pone de nuevo en situación de volver a recibir nuevas locuciones, normalmente manteniendo un estado de bajo consumo (para ahorro de pilas) mientras no detecte audio del PMR446 conectado.

Para que esto funcione, el equipo PMR446 ha de permitir el modo de operación "manos libres" (ha de disponer de "Vox-control" para que se active automáticamente la transmisión cuando detecte señal de audio en su toma de micrófono externo).

Esto proporciona la capacidad de operación como "repetidor simplex" (recepción y transmisión alternativas, no simultáneas) a los equipos PMR446, y a cualquier otro equipo de radio de otros servicios que emplee un Loro de estos. Sin embargo, debido a las características técnicas y legales del uso del servicio PMR446, estos repetidores simplex no tienen un alcance sensiblemente superior al que proporciona el equipo PMR446, sus señales alcanzarán sólo unos pocos kilómetros si la ubicación del repetidor es buena, pero permitirá la comunicación entre equipos PMR446 que estén bastante distanciados entre sí y no se oigan entre ellos, pero que sí puedan acceder al repetidor, así como entre equipos PMR446 relativamente próximos, pero que por las condiciones del terreno no se escuchan directamente entre sí (por ejemplo, en zonas montañosas o zonas con muchos obstáculos, como son zonas urbanas).

Puesto que un equipo PMR446 necesariamente es por ley un equipo de mano dotado de antena incorporada no desmontable y sin posibilidad de conectar antenas externas, un repetidor de tal tipo debería consistir en un equipo PMR446 ordinario, a ser posible de calidad profesional (por disponer de un mejor sistema de antena y por tanto con posibilidad de proporcionar alcances mayores), alojado en el interior de una caja estanca (plástica, para permitir el paso de las señales hacia o radiadas por la antena) situada en lo alto de un mástil sobre el terreno o en lo alto de un edificio, caja que albergará también al equipo controlador "Loro". Tanto el PMR446 como el "Loro" pueden ser telealimentados con una tensión de alimentación continua enviada a través de un largo cable de conexión desde un alimentador remoto a la caja que alberga ambos equipos, o mediante un cable de conexión a red eléctrica si en la caja se incorpora un alimentador adecuado.

En todo caso, este tipo de repetidor simplex puede cubrir un área más extensa sólo gracias a la altura del repetidor sobre el terreno circundante y la calidad del aparato PMR446 empleado.

Esta imagen (enlace local) muestra un ejemplo del montaje de un repetidor PMR autónomo que puede estar ubicado en un sitio elevado y alimentado por energía solar. Utiliza un Loro modelo ATX-2000, un panel solar doble capaz de proporcionar dos alimentaciones separadas de 6 voltios aptas para alimentar separadamente al equipo PMR446 y al Loro ATX-2000, y dos baterías de plomo y gel selladas (sin mantenimiento) que son mantenidas en carga por el panel solar durante el las horas diurnas, proporcionando la alimentación al repetidor durante las horas nocturnas y durante horas diurnas de baja iluminación solar.

Para otros servicios de radio los repetidores simplex tipo "Loro" son mucho más sencillos y baratos que un repetidor dúplex convencional, y son útiles para usos temporales o para proporcionar coberturas en zonas donde un repetidor dúplex no está bien justificada. Además, puede ser fácilmente transportables, por lo que pueden ser usados como repetidores para situaciones de emergencia por organizaciones de protección civil y de emergencias. Y además sólo ocupan una única frecuencia. La única desventaja que tienen respecto a los repetidores dúplex es precisamente su comportamiento símplex: Antes de que un usuario transmita un nuevo mensaje, hay que esperar a que el repetidor "Loro" transmita el anterior mensaje, lo que ralentiza las comunicaciones.

El controlador ATX-2000

El controlador modelo ATX-2000 es uno de los equipos de grabación-reproducción de voz más conocidos (al menos en la década del 2000) para la realización de un repetidor tipo "Loro" junto con un equipo PMR446 (o cualquier otro equipo de radio de otros servicios de comunicaciones) que disponga de la opción de manos libres. Tiene la capacidad de grabar y reproducir mensajes de hasta un minuto de duración. Técnicamente es un "Controlador para un repetidor simplex" ("Controller for a simplex repeater", en inglés), o también un "Two-way Radio Range Extender" (aumentador del alcance de radios transmisores-receptores), pero es popularmente más conocido como "Loro electrónico" ("Electronic parrot" en inglés).

Es un sencillo equipo de bajo consumo alimentado a pilas, con una tensión de alimentación de 6 voltios. Un simple cable con los conectores adecuados permite conectarlo a un equipo PMR446 que esté configurado en "manos libres" para que el conjunto opere como un "Loro" sencillo:

Repetidor PMR446 elemental con un Loro ATX-2000. Haz clic en la imagen para ampliarla.

El ATX-2000 se alimenta con cuatro pilas de 1,5 V de tamaño AAA, las cuales le proporciona una autonomía mas que considerable con un uso normal. Pero también dispone de una entrada para alimentación externa, algo útil si se desea emplear este equipo para un repetidor simplex para PMR446 en un edificio o ubicación donde haya suministro de red eléctrica, o para conexión a un sistema autónomo de energía solar. Dado que internamente el ATX-2000 dispone de un regulador SMD de 5 voltios sin disipador de calor, se le ha de aplicar una alimentación exterior continua de 8 a un máximo de 14 voltios, evitando superar este último valor para evitar su calentamiento excesivo, que lo podría perjudicar.

El ATX-2000 dispone de un selector de encendido y de modo de funcionamiento, y este selector sirve para que el equipo se active en modo silencioso o conectando su altavoz de alta impedancia (SPK ON). En su parte superior dispone de dos conexiones idénticas que tienen las tomas de audio de micrófono externo (MIC_IN) y de altavoz externo (2560_OUT). El motivo de que estas dos conexiones estén duplicadas es para permitir conectar por un lado el walkie-talkie PMR446 a una de ellas con el cable de audio adecuado (nterface cable), mientras que en la otra entrada se puede conectar un microauricular (un "pinganillo") para que el usuario propietario de los equipos pueda supervisar e intervenir también en las comunicaciones que tengan lugar por este sistema repetidor. Las señales en las entradas de micro externo (MIC_IN), procedentes de la recepción del equipo PMR446, se pueden supervisar con el altavoz de alta impedancia que incorpora el ATX-2000 si su modo de funcionamiento se selecciona en SPK ON.

El ATX-2000 tiene un tamaño de 8,8×5,4×2,4 cm y está internamente controlado por un microcontrolador ya programado. Aunque su consumo es bastante bajo, es un dispositivo inteligente, ya que si no recibe señal pasa automaticamente a modo Stand-By, en el que entra en un modo durmiente ("sleep mode") de muy bajo consumo, ahorrando energia y alargando la vida de las pilas. Con un paquete de pilas AAA de 1,5 voltios nuevas, éstas pueden mantener operativo el equipo durante días, e incluso semanas, dependiendo del uso que se haga de este equipo. El consumo del equipo cuando está grabando o reproduciendo un mensaje es inferior a 40 mA.

El controlador ATX-2000 está realizado con componentes SMD (pequeños componentes de montaje superficial) y su esquema electrónico se muestra aquí (enlace local). Este esquema corresponde a uno de las variantes del ATX-2000, ya que hay otras que emplean otras circuiterías (como el ATX-2000A), aunque realizan las mismas funciones. Como puede verse, su circuito está realizado en torno a cuatro circuitos integrados.

U1 es un integrado regulador de tensión de 5 V tipo 7805, que permite reducir la tensión externa aplicada a su conector de alimentación externa a la tensión interna de funcionamiento del equipo de 5 voltios (6 voltios si es alimentado con pilas).

U2, un chip modelo ISD2560, es el chip grabador y reproductor de voz de la firma ChipCorder, es un modelo que permite grabar, almacenar digitalmente y reproducir un mensaje de hasta 60 segundos de duración. Petenece a la familia de chips grabadores y reproductores de voz ISD25xx, donde xx indica el tiempo máximo de grabación en segundos. Hay modelos para 60, 75, 90 y 120 segundos, compatibles patilla a patilla. El modelo ISD2560 realiza la digitalización de hasta 60 segundos de voz con un muestreo de 8 kHz, y funcionando con una frecuencia de reloj de 1024 kHz.

Un ejemplo de aplicación de este chip como simple grabador-reproductor se muestra aquí (enlace local). Esta extraído de las hojas de características ("datasheet") del fabricante y da una idea del funcionamiento de este circuito integrado (puede emplearlo para analizar el funcionamiento del ATX-2000, que se describe más adelante).

U3 es un chip microcontrolador W741E200 o W541C200 (son compatibles patilla a patilla y en cuanto a funciones) de la firma Winbond Electronics Corp., que tiene almacenado el programa adecuado ("firmware") para controlar el funcionamiento de todo el conjunto. Un LED bicolor asociado al chip indica con colores distintos si el equipo está grabando o reproduciendo mensajes, o apagado en estado de "stand-by": En grabación (en recepción) hará parpadear el color verde, y al reproducir (en transmisión) hará parpadear el color rojo.

Técnicamente U3 es un microcontrolador de 4 bits que funciona con muy bajo consumo. Opera a 2,4 - 5,5 voltios de alimentación. Contiene una ALU de 4 bits, 8 temporizadores de 4 bits, un divisor, un puerto serie y tres puertos de 4 bits (puertos RA, RB, RC) configurables como entrada/salida. Dos de ellos, RA y RB, están preparados para controlar directamente LEDs y son configurados por el firmware como puertos de salida, mientras que RC es configurado como puerto de entrada. U3 dispone de una memoria ROM de programa de 2048×16 bits, y una memoria RAM para datos de 128×4 bits. Su oscilador puede funcionar a baja velocidad (32 kHz) o alta velocidad (400 kHz - 4 MHz), indicando por código (en el firmware) cuál de las dos modalidades de oscilación empleará. El oscilador empleará un cristal de cuarzo adecuado o una resistencia adecuada (entre Xin y Xout), o recibirá la señal de reloj de un generador externo (conectado a Xin).

U4, un chip tipo µRC7002 (??), es un chip doble operacional empleado como amplificador de audio para las señales procedentes de las tomas de micrófono externo MIC_IN, que son amplificadas a nivel suficiente y entregadas al chip microcontrolador U2 (a la entrada RC3) para que su programa actúe en consecuencia, ordenado al chip U2 que grabe señales de audio entrantes de la toma de micrófono externo cuando U2 las detecte en su entrada RC3, y las reproduzca sobre la salida de auricular externo una vez cesen las señales en las tomas de micrófono externo.

JP3 y JP4 son los dos conectores estéreos para jacks de 2,5 mm, con tomas de señales de audio externas del equipo, y están conectados en paralelo. Cada conector tiene una toma de micrófono externo MIC_IN, y una toma para auricular externo 2560_OUT. Como se ha dicho anteriormente, usando el cable de interfaz adecuado, se conectará uno de los dos conectores a las tomas de audio del equipo PMR446, MIC_IN a la salida de altavoz externo del PMR446, y 2560_OUT a la toma de micro externo del PMR446. Las señales en la toma micrófono externo MIC_IN son aplicadas directamente a la entrada patilla 20 (ANA IN) de U2, mientras que las señales reproducidas por U2 son aplicadas directamente desde su patilla 14 (SP+) a la toma de auricular externo 2560_OUT de ambos conectores.

Como se observa en el esquema de este circuito, el microcontrolador U3 no monitoriza la señal que reproduce el chip grabador-reproductor de voz U2, cosa que sí hace con la señal procedente del equipo PMR en recepción a través de su línea de entrada RC3 (tras ser amplificadas por U4): U3 ordena a U2 iniciar la grabación cuando en su línea de entrada RC3 detecta señales de audio procedentes del equipo PMR446 y amplificadas por U4.

U3 pone a U2 el estado de grabación de voz y de posterior reproducción a través de su línea de salida RA0, conectada a la entrada de control P/R de U2. Según el estado de la salida RA0 (alta o baja) de U3, U2 estará en estado de grabación o de reproducción. Las líneas de salida RA1 y RA2 de U3 controlan las entradas de control PD y CE de U2, las cuales se usan para borrar el mensaje almacenado (reset) y poner a U2 en estado de muy bajo consumo, y para habilitar las operaciones de grabación/reproducción de U2 respectivamente.

Cuando U2 pasa a modo de reproducción del mensaje almacenado, al finalizar éste emite una corta señal en su salida EOM, la cual está conectada a la línea de entrada RC0 del microcontrolador U3, lo que sirve para que el programa de éste active las entradas PD y CE de U2, lo que pone de nuevo a U2 en situación de recibir un nuevo mensaje.

En grabación, si la memoria de almacenamiento disponible en U2 se llena completamente debido a la grabación de un mensaje largo que excede la capacidad de grabación de U2, éste emite una señal a través de su salida de "overflow" OFV, informando con ello al microcontrolador U3 a través de su línea de entrada RC1.

Además, en reproducción, U3 genera una señal "bip - bip" que es inyectada a la línea de salida de reproducción de U2 (salida SP+) hacia los conectores J3/J4. Esta señal, que es de onda cuadrada, es entregada por U3 en su línea de salida RA3, y es "suavizada" por una red de filtro RC. Este "bip-bip" servirá para informar a los que estén escuchando que quien está transmitiendo al aire es el repetidor "Loro" y no otro usuario. Análogamente, al final de la transmisión generará un "beep" más largo, informando con ello que finaliza la transmisión y que el "Loro" queda preparado para una nueva sesión de grabación.

Estos datos de funcionamiento referidos al microcontrolador U3 pueden ser útiles por si alguien aficionado a la electrónica y con conocimientos de programación se anima a diseñar y realizar un "Loro electrónico" de funcionamiento similar, realizado con algún microcontrolador más ordinario y fácil de encontrar, como los de las series PICs de Microchip, ya que da una idea de lo que ha de realizar el programa que ha de ser grabado en el microcontrolador. Como sugerencia adicional, podría añadirse en un diseño de este tipo un control de PTT independiente, útil para gobernar equipos PMR46 que lo admitan como alternativa a la función de "vox-control" ("manos libres"), habilitando para ello alguna línea del puerto de salida, como sería la línea RC2 de U3.

Interior de un Loro ATX-2000A, con una circuitería distinta a la explicada anteriormente. Las dos manchas negras son los chips microcontrolador y grabador de voz, fabricados especialmente para estos usos. El altavoz plano va situado sobre el compartimento de las pilas. Haz clic en la imagen para ampliarla.

Fernando Fernández de Villegas
Actualizado: 18/01/2012

Algunas referencias:
PortalPMR.com