Indice

La radio definida por software
Lo que SDR no es
Principio de funcionamiento de un receptor SDR
Conversión de frecuencia
La conversión de frecuencia en un receptor SDR
El detector de Tayloe
La demodulación
Las Transformadas Rápidas de Fourier (FFT)
El transceptor SDR-1000
Importancia de la tarjeta de sonido
Desarrollo de los equipos de radio SDR
El proyecto HPSDR

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LO QUE SDR NO ES

La SDR supone realizar la mayor parte de las funciones de un equipo de radio, incluso las más importantes, mediante el software implementado en un ordenador. Por tanto, y antes de profundizar más en lo que es una SDR, se puede explicar de qué no se trata.

En primer lugar hay que decir que hay una enorme diferencia entre una radio definida por programas (SDR) y otra controlada por programas. Casi todos los equipos de radio modernos dotados de interfaces informáticos son equipos que tienen la opción de ser controlados por ordenador, permitiendo que desde este último se gobiernen y visualicen parte o todas las funciones y parámetros que normalmente están presentes en el frontal del equipo: frecuencia, elección de modo de operación (AM, FM, CW, SSB...), control automático de ganancia (CAG), etcétera. Incluso hay equipos de radiocomunicaciones que ni siquiera tienen un panel frontal de mandos e indicadores, siendo controlados totalmente desde el ordenador, el cual realiza todas las funciones del panel de mando del equipo, mostrando además éste en la pantalla del ordenador.

Tampoco las SDR se refiere al uso de las sofisticadas técnicas de procesado digital de señal, mediante la introducción de chips DSP, implementadas a nivel de las etapas de audio, para mejorar la inteligibilidad y calidad de las señales. Las técnicas DSP permiten realizar filtros de audio mediante técnicas digitales que son mucho más efectivos que los tradicionalmente realizados con componentes electrónicos analógicos, e incluso se puede programar sus características por software. Y aunque las técnicas DSP se usan principalmente a nivel de las etapas de audio de los equipos de radiocomunicaciones, procesando digitalmente las señales de audio, también hay equipos de radio que introducen el procesado digital de señales DSP a nivel de frecuencia intermedia, aunque en estos casos siempre se hace sobre una última frecuencia intermedia de valor muy bajo, sobre los 40 KHz, lo que permite manejarla casi como una señal de audio, y por tanto al alcance de los chips DSP más comunes.

Las técnicas DSP comenzaron a ser introducidas en la década de los 90's para funciones eficaces de filtrado y de redución de ruido en las etapas de audio, y actualmente se usan también para las etapas de FI de los receptores de radio más modernos, con mejores prestaciones que las clásicas etapas de FI de filtros resonantes sintonizados a la FI. Pero en cualquier caso, tanto unos como otros no dejan de ser al fin y al cabo equipos de radio convencionales, a pesar de los "añadidos avanzados" que estas técnicas puedan introducir.

Una radio software (SDR), en cambio, tiene casi todos sus "componentes" definidos y funcionando en forma de programas en un ordenador, a excepción de un mínimo de componentes físicos necesarios, externos al ordenador, que no pueden ser definidos por software en el ordenador. Y mientras no sea activado ese software o conjunto de programas, el equipo de radio no será tal, sino que será un simple conjunto de unas cuantas placas electrónicas externas, incapaces de hacer nada práctico. Es el software SDR que se haga funcionar en el ordenador el que define el esquema de modulación a emplear (AM, FM, SSB...), el tipo de silenciador (squelch), cómo actua el CAG, y, en fin, todo el equipo de radio. Y aunque las radios SDR funcionan con el software SDR que se hace funcionar en el ordenador, la mayor parte del trabajo no la hace en sí el ordenador, sino el dispositivo SDR empleado en éste (que, como veremos, habitualmente es la tarjeta de sonido).

Además una radio SDR es muy flexible, ya que modificando o reemplazando sus programas de software, o añadiendo nuevos programas, se consigue modificar sus funcionalidades, como es añadir nuevos modos o mejorar sus prestaciones. Ello permite también acomodar el SDR a las necesidades de cada tipo de usuario (radioaficionados, servicios de emergencias, etc...).

La SDR es algo novedoso y representa un concepto que puede no ser fácil de asimilar. Para entenderlo se explicará a continuación, aunque describiendo el proceso de recepción, ya que el de transmisión es muy similar aunque a la inversa.

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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN RECEPTOR SDR

Gerald, AC5OG, ha diseñado una etapa frontal de radiofrecuencia (RF) cuya función es convertir la señal de radio recibida, trasladándola a frecuencias muy inferiores, en la banda de audio. Esta etapa es un detector un tanto especial de conversión directa (es decir, de frecuencia intermedia cero o muy baja), a la cual se la ha añadido unos filtros de banda seleccionables en el paso de antena.

Con esta etapa frontal, la señal de radiofrecuencia es bajada al rango de las frecuencias de audio, pero sigue siendo una señal sin demodular. El siguiente paso es demodular la señal, y para ello se hace uso de un ordenador con tarjeta de sonido y el programa adecuado. Esto es lo que se muestra en el diagrama de la figura 1.

(Haz click en la imagen para ampliarla)

No debe confundirse esta conversión directa con el proceso de demodulación que permite extraer la señal de voz (moduladora) de la señal de RF, pues ello es lo que se hace en el ordenador con el programa adecuado. La etapa de conversión directa lo que hace es trasladar las señales de RF a otras frecuencias muy inferiores, pero aunque las señales obtenidas en la conversión son señales en el rango de las frecuencias de audio, no significa que sean señales ya demoduladas (aunque para varios tipos de modulación, como la telegrafía o la banda lateral única, sí lo serán).

Dicha señal ya desplazada en frecuencia a la banda de audio (pero todavía sin demodular) ocupa un margen de frecuencias que entra dentro del margen que acepta en sus entradas analógicas la tarjeta de sonido. Dependiendo de la tarjeta empleada, una tarjeta de sonido puede aceptar señales de hasta 20 a 40 kHz, y más altas..

La tarjeta de sonido incluye unos conversores analógico-digital (A/D) que digitalizan las señales presentes en las entradas de la tarjeta, generando un flujo continuo de bits que representan digitalmente las señales analógicas de entrada. A este respecto, se puede decir que el conversor A/D está conectado casi directamente a la antena. La tarjeta de sonido además proporciona todas las funcionalidades DSP (procesamiento digital de señales) que van a ser necesarias para manejar la señal entrante ya digitalizada.

En la digitalización de las señales de entrada, se transforman las señales analógicas de entrada, que son "continuas en el tiempo" (y con un número de valores de amplitud teóricamente infinitos), en una secuencia de señales "discretas en el tiempo", esto es, que se presentan a intervalos de tiempo determinados, y que se denominan "muestras". Una vez digitalizadas estas muestras de la señal analógica (transformando cada muestra en un número fijo de bits), las señales eléctricas que las componen (los bits) tendrán un número de valores posibles de amplitud fijo y determinado, dos en el caso de las señales digitales binarias (denominados "0" y "1" lógicos).

El proceso por el que las señales analógicas de entrada se transforman en señales discretas en el tiempo se denomina "muestreo". A este respecto, en 1933 Harry Nyquist estableció que cuando se digitalizan señales analógicas, para que posteriormente se pueda recuperar la señal analógica original mediante el proceso inverso (Conversión Digital-Analógica), la señal analógica debe ser muestreada a una velocidad como mínimo igual al doble de la frecuencia más alta presente en la señal analógica. La frecuencia máxima de la señal analógica de entrada es recomendable que sea limitada mediante el empleo de un filtro de pasobanda, denominado "filtro antialiasing". Ello evita el efecto de "aliasing", por el cual, al recuperar por el proceso inverso la señal analógica original, ésta puede aparecer distorsionada. El aliasing aparece cuando en el proceso de digitalización, la señal analógica de entrada tiene componentes cuyas frecuencias son superiores a la mitad del valor de la frecuencia de muestreo, y no son suprimidas antes de realizar el muestreo.

Así, por ejemplo, el oído humano puede llegar a percibir frecuencias en el rango de 20 Hz a 20 KHz (en el mejor de los casos), y por ello la digitalización de las señales de audio de alta fidelidad requiere que sean muestreadas al menos a 40 KHz (40.000 muestras por segundo). De hecho, en el caso de los CD's de audio el muestreo empleado es de 44,100 KHz (lo cual previene también el aliasing). Esta velocidad de muestreo la soporta actualmente también cualquier tarjeta de sonido para sus conversores A/D. Además, muchas tarjetas de sonido incluyen un filtro antialiasing interno con una frecuencia de corte próxima a los 20 KHz.

Una vez la señal ha sido muestreada y digitalizada por la tarjeta de sonido, podemos procesarla como queramos, por ejemplo demodulándola: en modulación de amplitud (AM) se haría detectando la amplitud de la envolvente de la señal, en modulación de frecuencia (FM) habría que seguir las variaciones de frecuencia de la señal... Todos estos procesos se realizan mediante cálculos matemáticos adecuados por software, pues al fin y al cabo las señales digitales son señales discretas que representan valores numéricos (en formato binario) y por tanto (éstos) se pueden se pueden tratar matemáticamente con el software adecuado para realizar algo. Los resultados numéricos de estos tratamientos matemáticos son también representados por señales digitales, las cuales se llevan internamente a unos conversores Digital-analógicos (D/A) implementados en la propia tarjeta de sonido, para convertirlas a señales de audio equivalentes, que son amplificadas y conducidas a las salidas de altavoz de la tarjeta de sonido (caso de las modulaciones de fonía), o que son procesadas para mostrar la información en la pantalla del ordenador (caso de los modos digitales).

Uno de los posibles procesos de la señal de audio digitalizada es su demodulación, y éste es un proceso relativamente simple que incluye procesos de filtrado, desplazamiento de nivel y algunas otras operaciones que se pueden realizar sin muchos problemas por software. Cualquier proceso al que queramos someter la señal de audio digitalizada se puede hacer por software, usando el programa adecuado en el ordenador, y usando la tarjeta de sonido como digitalizador de la señal analógica de audio.

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CONVERSIÓN DE FRECUENCIA

Las tarjetas de sonido son capaces de operar con señales de audio analógico de hasta unos 20 kHz como mínimo (hasta 48 Khz y más, si la tarjeta es de calidad), y la queremos emplear para procesar señales de RF de varios MHz de frecuencia, recibidas en la antena. Dado que la tarjeta de sonido no puede manejar frecuencias tan elevadas, es necesario convertir las señales de RF a señales de frecuencias muy inferiores, en el rango de frecuencias que puede aceptar la tarjeta de sonido (es decir, en el rango de las bajas frecuencias), manteniendo éstas el mismo esquema de modulación de las señales de RF recibidas.

El sistema más habitual para convertir una señal de una banda de frecuencias a otra es mediante el uso de un mezclador, el cual combina dos señales, la que recibimos en antena, con la procedente de un oscilador local, la cual será una señal pura sin modular, y muy estable en frecuencia. Esto es típico en los receptores superheterodinos para convertir la señal recibida a frecuencia intermedia.

En la salida del mezclador tendremos señales cuyas frecuencias serán la suma y la resta de las frecuencias aplicadas en ambas entradas del mezclador, la de la señal de antena, fa, y la generada en el oscilador local, fo. Además siempre aparece algo de estas dos señales a la salida del mezclador.

                         ,-------------,
         fa ------------>|             |           fa + fo
                         |  MEZCLADOR  |---------> fa - fo 
         fo ------------>|             |           fa , fo
                         `-------------´

                                          14000 KHz
    (antena)           ,-------------,    14001 KHz   ,---------,
    14001 KHz -------->|             |    28001 KHz   | Filtro  |
                       |  MEZCLADOR  |--------------->|  B.F.   |---> 1 KHz
    14000 KHz -------->|             |      1 KHz     `---------'
   (Oscilador          `-------------´
     local )

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LA CONVERSIÓN DE FRECUENCIA EN UN RECEPTOR SDR

El simple procedimiento de conversión de frecuencia en un receptor de conversión directa no es el adecuado para un receptor SDR por los problemas anteriormente mencionados. El tipo de conversión utilizada elimina estos problemas, y se basa en el procedimiento que en los primeros días de la SSB se utilizó para conseguir la modulación de Banda Lateral Unica (BLU), eliminando en el proceso de modulación la banda lateral que no interesaba, sin el uso de los filtros a cristal de pasobanda estrecho (2,5 - 3 KHz) que se usan hoy en día para dejar pasar la banda lateral que interesa y eliminar la otra.

Dicho método, conocido como "Método de fase", consistía en usar un doble mezclador balanceado al cual se aplicaban dos versiones de la frecuencia del oscilador local, una en fase y la otra desfasada 90 grados, y dos versiones de la señal recibida en antena, una en fase y otra desfasada 90 grados. Si ésta última estaba desfasada exactamente +90 grados respecto a la otra, a la salida del mezclador se obtenía la banda lateral superior, cancelando la banda lateral inferior, mientras que si estaba desfasada -90 grados, la que se cancelaba era la banda lateral superior, obteniéndose la banda lateral inferior.

Este procedimiento puede aplicarse a un receptor de conversión directa, y funcionaría exactamente igual, teniendo como ventajas que no habría problemas de frecuencia imagen, aunque ésta estuviera muy próxima a la frecuencia sintonizada (en los moduladores de BLU según el procedimiento del método de fase, cada banda lateral única es frecuencia imagen de la otra). En el ejemplo anterior, si el oscilador oscila a 14.000 KHz, podría recibir limpiamente una señal de frecuencia 14.001 KHz como un tono de 1 KHz (diferencia de frecuencias) sin que fuera perturbada por la presencia de señales en 13.999 KHz. Si se cambiara el desfase de +90 grados de la señal recibida en antena (y que es desfasada) por -90 grados, se recibirían las señales de 13.999 KHz sin que fueran perturbadas por señales presentes en 14.001 KHz.

Este procedimiento, empleado tanto para la modulación como para la demodulación, se denomina Mezcla en cuadratura, Detección de SSB por giro de fase, o Mezcla con rechazo de imagen. El doble mezclador empleado se denomina Mezclador de cuadratura o Mezclador IQ. Esta última denominación se debe porque a la señal convertida correspondiente a la original no desfasada se denomina Señal en Fase o Señal I ("In phase signal"), mientras que la señal convertida correspondiente a la señal original desfasada +90 (o -90) grados se denomina Señal en Cuadratura  o Señal Q ("Quadrature signal").

A la salida de los dos mezcladores se obtienen las señales I y Q, que están en Cuadratura de Fase. Ambas señales son exactamente iguales, pero desfasadas 90 grados (en el caso ideal). Llevando estas señales a un circuito sumador adecuado, se obtendría a la salida de éste la señal deseada, libre de la frecuencia imagen. Es en el circuito sumador donde, dependiendo de la fase de la señal Q respecto a la señal I, se suprime como frecuencia imagen las frecuencias recibidas que estén por encima o por debajo de la frecuencia del oscilador local, reforzandose la otra.

Este procedimiento, como se ha dicho, fue empleado con éxito en multitud de equipos de SSB en los primeros años de este nuevo modo de modulación que supliría a la AM (a mitad de los 1950's), hasta la aparición de los equipos de SSB con filtros de banda de cristal a principios de los años 1960's. Pero el problema de este sistema era que para que fuera realmente efectivo, las dos señales I y Q debían estar bien balanceadas en amplitud y fase, ya que incluso mínimas inexactitudes en el desfase de 90 grados de la señal Q, o en la igualdad de amplitud de las dos señales I y Q, da lugar a que no desaparezca totalmente la banda lateral (frecuencia imagen) que debía suprimirse, perjudicando el rendimiento del equipo. Conseguir implementar mediante circuitos analógicos (lo que había entonces) un desplazador de fase de +90 grados, que fuera preciso y uniforme en amplitud y en desplazamiento de fase en todo el ancho de banda de las señales de audio moduladoras (300 a 3400 Hz), era muy difícil de conseguir, y por ello nunca se conseguía una supresión elevada de la banda lateral no deseada. Alcanzar supresiones de 40 dB para la banda lateral no deseada con este procedimiento requería componentes analógicos de calidad y era bastante caro y difícil de conseguir. No obstante, de poderse conseguir desfases precisos de 90 grados, la modulación y demodulación eficaz de la SSB (y del resto de modulaciones) se vuelve fácil, y esto es mucho más fácil de conseguirlo digitalizando las señales I y Q. De hecho, actualmente muchos circuitos integrados de RF emplean exclusivamente las señales I y Q para realizar diversos procesos.

De hecho los equipos SDR se basan en este principio, como se ve en la figura 2, que muestra el principio de funcionamiento de un mezclador en cuadratura: La señal de RF de frecuencia fc es llevada a dos mezcladores idénticos en paralelo. El oscilador local genera la frecuencia de mezcla, flo, que es inyectada directamente al mezclador inferior (señal "seno") para obtener la señal I a la salida del mezclador. Una parte de la señal flo pasa por un desfasador de 90 grados para obtener una señal del oscilador local desfasada 90 grados (señal "coseno") que es llevada al mezclador superior, obteniéndose a su salida la señal en cuadratura Q. Las señales I y Q pasan por sendos filtros de banda (LPF) para eliminar las frecuencias no deseadas que aparecen en los procesos de mezclado de las señales, filtrando la señal deseada, y a continuación, son muestreadas (a la frecuencia de muestreo fs) y digitalizadas individualmente en sendos conversores analógico-digitales (A/D) para obtener las señales I y Q digitalizadas (It, Qt, discontinuas en el tiempo).

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Igual que ocurría con los antiguos equipos de SSB que usaban este principio, en un receptor SDR, si las señales de antena se somenten a desfases de 90 grados precisos para obtener señales de la misma amplitud y desfasadas 90 grados exactamente, y si se emplean mezcladores idénticos, la supresión de las frecuencias imagen sería total. En la práctica, en un buen receptor SDR de conversión directa, se llegan a obtener supresiones de frecuencias imagen de hasta 40 dB y más.

Construir un receptor SDR para ser usado con el ordenador es bastante sencillo: Sólo hay que realizar una "etapa frontal" que incluya el paso de antena y el mezclador de conversión directa en cuadratura, capaz de entregar en sus dos salidas las señales I y Q (señales idénticas pero desfasadas 90 grados) a nivel de bajas frecuencias, y entregar ambas señales a los canales izquierdo y derecho de una de las entradas de la tarjeta de sonido del ordenador (la cual ya incorpora los conversores A/D que permiten muestrear y digitalizar ambas señales. Una vez realizado esto, el software SDR cargado en el ordenador se encargará de todo lo demás, obteniéndose el resultado del procesado de las señales en los altavoces conectados a la salida de la tarjeta de sonido.

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EL DETECTOR DE TAYLOE

El esquema empleado por Gerald (AC5OG) en su equipo SDR para obtener las señales I y Q es el llamado Detector por muestreo en cuadratura (QSD). Gerald se inspiró en un detector patentado por Dan Tayloe (N7VE, radioaficionado y técnico que trabaja para Motorola), que es un elegante detector por muestreo que toma muestras de la señal de RF cuatro veces por ciclo de su portadora, dando lugar a cuatro salidas de la señal de RF con desfases respectivos de 0, 90, 180 y 270 grados. Y al tratarse de un circuito muestreador y no de un mezclador, se obtienen las señales I y Q, pero sin las pérdidas y otras problemáticas propias de los mezcladores. Dicho detector se conoce también como "Detector Tayloe" (en honor a su desarrollador). Veamos su funcionamiento.

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Imaginemos un conmutador rotativo conectado al circuito de entrada o de antena, (Figura 3) de cuatro posiciones, que gira a la frecuencia de portadora (Fc) de la señal de RF que queremos detectar. En cada contacto hay un pequeño condensador a masa. Durante el giro del conmutador, cada contacto, al ser "tocado" por el conmutador, recibirá la tensión de la señal de RF entrante, durante exactamente un cuarto de ciclo de portadora. El nivel de tensión de RF presente en la entrada del conmutador es aplicado al condensador, el cual quedará cargado con un valor de tensión promediado entre los valores de la tensión de la señal de RF entrante en ese cuarto de ciclo de la portadora. El condensador mantiene esta tensión de carga un cierto tiempo, y un ciclo de portadora después el conmutador volverá a tocar el mismo contacto y se repetirá el mismo proceso. Las tensiones adquiridas así por cada condensador, al ser integradas (promediadas) a lo largo de las sucesivas muestras, dan lugar a una señal audio en bornes de cada condensador.

El proceso es una especie de conversión directa, donde el audio se obtiene en cada contacto del conmutador rotatorio por detección síncrona en un punto determinado de la fase del ciclo de la señal de entrada: en C1, a O grados; en C2, a 90 grados; en C3, a 180 grados; y en C4, a 270 grados. Esto es totalmente correcto si la frecuencia de giro del rotor es exactamente igual a la frecuencia de RF entrante.

Se obtienen así cuatro señales de audio con distintos desfases en las salidas del conmutador rotatorio. A partir de estas cuatro señales se obtienen las señales I y Q necesarias para realizar la demodulación mediante SDR. Las señales con desfases de 0 y 180 grados se aplican en las dos entradas de un amplificador operacional, obteniéndose en su salida la componente en fase I, mientras que las señales con desfases de 90 y 270 grados se aplican a las entradas de otro amplificador operacional, obteniéndose en su salida la componente en cuadratura Q.

Si la frecuencia de la señal entrante difiere de la frecuencia de rotación del conmutador, la suma de las fases invertidas que generan las señales I y Q será menor a medida que la diferencia de frecuencias sea mayor (pues la detección de la señal entrante ya no es síncrona en fase), y las frecuencias de audio obtenidas dependerán de dicha diferencia de frecuencias.

Las señales obtenidas en las detecciones síncronas son filtradas por la red RC de pasobajo que conforman la impedancia de la antena (Rant) y el condensador de muestreo (C) de cada punto del conmutador rotatorio, con lo que el ancho de banda BW de las señales de audio obtenidas en cada punto del conmutador será:

                              1
                BW  =  --------------
                        Pi * Rant * C

Es obvio que los cuatro condensadores de muestreo del detector Tayloe deberán ser exactamente iguales para obtener las mejores características de este tipo de detector.

El detector Tayloe opera similarmente a un filtro de conmutación digital, y ello significa que opera como un filtro seguidor de muy alto Q. El ancho de banda de la señal que entrega a su salida depende del número total de condensadores de muestreo, 4 en total (uno por posición del conmutador rotatorio), por lo que el ancho de banda de la señal de salida será:

                              1
                BW  =  -------------------
                        4 * Pi * Rant * C

                         fc
                Q  =  --------
                         BW

El detector por muestreo en cuadratura (QSD) así definido es un detector lineal con una salida de audio de cuatro fases, que se emplean para generar las componentes I y Q. Cuando las fases son sumadas dos a dos para obtener las componentes I y Q, al ser sumadas diferencialmente en un amplificador operacional de alta impedancia de entrada, el detector QSD entrega las señales I y Q con una ganancia de conversión de tensión de 6 dB y prácticamente libre de ruido de conversión.

Lo interesante del circuito detector Tayloe o QSD es su rechazo a señales de frecuencias diferentes a la de rotación del conmutador. Aunque éstas también son convertidas en muestras de audio de baja frecuencia, aparecerán en la banda de audio desplazadas de frecuencia respecto a las señales útiles. Esto permite que mediante un buen filtrado de las señales de audio se puedan eliminar las señales no deseadas, y obtener una buena selectividad.

El detector de Tayloe es elegante, con muy buenas características, y puede ser realizado uno completamente (sin el oscilador local) con tres o cuatro circuitos integrados comerciales adecuados. La Figura 4 muestra un ejemplo de detector Tayloe realizado con pocos circuitos integrados. Este consiste en un demultiplexor FET 1:4 tipo PI5V331, que realiza la función de conmutador rotatorio de la señal de antena sobre los cuatro condensadores de muestreo. Dos chips flip-flops duales tipo 74AC74 están conectados como divisor por cuatro tipo Johnson, el cual genera a partir de una señal de reloj (generada por el oscilador local) las dos señales de reloj desfasadas 90 grados que gobiernan el conmutador rotatorio PI5V331. Las salidas de este conmutador, conectadas a los respectivos condensadores de muestreo, son llevadas a las entradas de un par de amplificadores operacionales de instrumentación, de muy bajo ruido, tipo LT1115, para formar por suma diferencial de fases las señales I y Q, las cuales serán llevadas a alguna entrada analógica de la tarjeta de sonido para su digitalización.

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Dado que la impedancia de antena Rant es conectada el 25 % de cada ciclo de rotación del conmutador rotatorio a alguna entrada de los amplificadores operacionales, será la resistencia de entrada de ambos amplificadores operacionales, por lo que si Rf es la resistencia de realimentación de cada amplificador operacional, la ganancia de éstos será:

         G  =  0,25 * Rf / Rant   =   Rf / (4 * Rant)

Como en caso de antenas resonantes típicamente Rant = 50 ohmios, entonces G = Rf / 200.

Dado que la impedancia de la antena puede variar significativamente sobre un gran margen de frecuencias, se usan amplificadores operacionales de instrumentación (de alta impedancia de entrada) para minimizar las variaciones de ganancia de éstos con la impedancia de antena.

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LA DEMODULACIÓN

Hasta ahora hemos descrito cómo se traslada la señal de RF a frecuencias de audio (es decir, a Banda base), y la generación de las componentes I y Q ; falta todavía filtrar y demodular las señales, además de otros procesados en audio que se deseen. Ello se realiza digitalmente, por lo que hay que digitalizar las señales I y Q y luego procesarlas digitalmente. Por ello el diseño de AC5OG emplea una tarjeta de sonido común para digitalizar las señales I y Q y para proporcionar todas las funciones del receptor, sacando partido a la potencia del DSP implementado en la tarjeta de sonido y usando el software adecuado.

Sin emplear más que los programas adecuados, casi todas las tarjetas de sonido pueden ser programadas para actuar como un CAG, demodular una señal, eliminar señales no deseadas (como en los equipos más caros con DSP), reducir el ruido (NB), silenciar (squelch),... absolutamente todo lo que puedan hacer los equipos de radio, mas algunas cosas de las que éstos son incapaces; y todo ello en el ordenador. Desafortunadamente, los detalles de cómo se hace todo eso son demasiado extensos para describirlos aquí. Los mismos principios rigen en el otro sentido en transmisión, desde el micrófono que capta la voz hasta la señal enviada hacia la antena.

Sólo como ejemplo, se expondrán los principios de la demodulación en un receptor de este tipo, uno de los procesos básicos de cualquier receptor.

Cuando tenemos una señal modulada en amplitud (AM), lo único importante de la señal es la amplitud de la envolvente de la señal de RF (no la amplitud instantánea de la onda, sólo la de pico o cresta de cada semiciclo de la onda). Un detector de AM a diodo simplemente responde a la amplitud de la envolvente, que es la señal moduladora de BF que interesa obtener.

En un receptor que maneje señales I y Q, al estar ambas desfasadas 90 grados entre sí, si se representan vectorialmente sus amplitudes y fases en un gráfico de ejes de abcisas y ordenadas (x,y), la representación será del siguiente tipo (diagrama de fases en el plano complejo):

 
donde la longitud de los vectores I y Q representan las amplitudes de dichas señales. En este tipo de diagramas vectoriales, los ángulos de fase se giran en sentido antihorario.

Con este tipo de diagramas, el conjunto de las dos componentes I y Q se puede representar por un único vector resultante R, con un ángulo de fase ß. Dado que las componentes I y Q de este diagrama son "ortonormales", esto es, perpendiculares entre sí (desfasadas 90 grados entre sí), el valor de la amplitud instantánea del vector R se calcula fácilmente por el teorema de Pitágoras, ya que R es la hipotenusa del triángulo recto formado por I y Q como lados catetos:

                    _____________
             R  = \/  I²  +  Q²

                     ß  =  Arctang (Q / I)

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LAS TRANSFORMADAS RÁPIDAS DE FOURIER (FFT)

Una de las herramientas más potentes de los dispositivos DSP es el uso de las Transformadas Rápidas de Fourier, FFT (Fast Fourier Transform), una herramienta matemática que permite realizar muy diversos tratamientos de las señales digitalizadas (filtrados, demodulaciones, ecualizaciones, etc...), y que se emplea por ello en los receptores SDR para el tratamiento de las señales I y Q entregadas por el hardware del equipo SDR. En este tipo de receptor se emplean las FFT y su función inversa, IFFT (Transformada Rápida de Fourier inversa) para las funciones de modulación y demodulación en banda lateral única (SSB) y para funciones de filtrado de señales.

Matemáticamente lo que hace una FFT es transformar señales en el dominio del tiempo a señales equivalentes en el dominio de la frecuencia, esto es, dada una señal cuya forma de onda es conocida a lo largo del tiempo (dominio del tiempo), es analizada para conocer su composición espectral, esto es, para conocer el conjunto de frecuencias que las componen y sus amplitudes respectivas (dominio de la frecuencia). Cualquier señal está compuesta por una o más componentes de distintas frecuencias, y los análisis matemáticos de Fourier permiten deducir las distintas frecuencias y sus amplitudes que componen una señal cualquiera en función de la forma de la onda de la señal. Así, una señal senoidal pura está constituida por una única frecuencia (tono puro), mientras que si la forma de la onda senoidal se distorsiona, aparecen junto con la frecuencia fundamental f otras frecuencias adicionales, como pueden ser frecuencias armónicas de la fundamental (2f, 3f, 4f,...), bandas laterales junto a la frecuencia fundamental, frecuencias aleatorias que representan al ruido, etc..., todo ello dependiendo de la forma de onda de la señal.

La forma de la onda de la señal en el tiempo es conocida, ya que se deduce de los sucesivos valores instantáneos de amplitud de ésta en el tiempo, y dado que al ser digitalizada la señal los valores de amplitud se codifican en valores numéricos binarios a intervalos de tiempo regulares, se pueden aplicar a estos las fórmulas matemáticas de Fourier para conocer la composición espectral de la señal analógica original.

El resultado de analizar una señal mediante la FFT equivale a hacer pasar la señal analógica original a través de un banco de filtros de paso de banda muy estrechos en paralelo que cubren toda la banda de paso, y obtener a la salida de estos filtros por separado las distintas componentes espectrales de la señal. Los distintos filtros tienen el mismo ancho de banda. Todo este proceso se realiza digitalmente.

A cada filtro de paso de banda muy estrecho se denomina "Bin", y en realidad la banda de paso de cada bin se solapa algo con la del bin anterior y posterior, tal como se muestra en la Figura 5, donde se muestran los Bins solapados. Si el solapamiento entre bins consecutivos es en puntos a -3 dB, la respuesta de la FFT es lineal.

Al realizar la FFT de una señal se obtiene la composición espectral de la señal. Si una componente espectral está en el centro de uno de los bins, se tomará solamente el valor de amplitud de señal en ese bin. Pero si no coincide con el centro del bin, se asigna parte de la amplitud de la componente al bin donde está ubicada, y algo de amplitud en el bin vecino más próximo. Así, si la componente espectral está justamente ubicada en el punto medio entre los centros de dos bins consecutivos, se asignará la mitad de la amplitud de la componente espectral a cada uno de los dos bins.

El análisis matemático de las FFT analiza la composición espectral de una señal cualquiera, y además determina cómo se reparte la energía (amplitud) de cada componente (frecuencia) de la señal en los distintos bins, de acuerdo a lo explicado en el párrafo anterior. La Figura 6 muestra un ejemplo de análisis espectral mediante FFT de 4096 bins de una señal modulada en AM, donde se aprecia la frecuencia portadora fc y las bandas laterales (USB, LSB) a ambos lados de ésta.

Cuando se manejan las señales I y Q procedentes de un detector de cuadratura (o un detector Tayloe), se puede aplicar en la FFT las conocidas expresiones

             _____________
      R  = \/  I²  +  Q²          ß  =  Arctang (Q / I)

Si en una FFT se emplean N bins (N es el "tamaño" de la FFT), y la señal está digitalizada con una frecuencia de muestreo fs, el ancho de banda de cada bin, BWbin, será:

         BWbin  =  fs / N

                 n * fs
         fn  =  ---------
                    N

Dado que los equipos de radio SDR se basan en el uso de tarjetas de sonido, si asumimos que la velocidad de muestreo del digitalizador de la tarjeta de sonido normalmente es de 44,1 KHz (44100 muestras por segundo), si se emplea una FFT de 4096 bins, se tendrá que:

          BWbin  =  44100 / 4096  =  10,7666 Hz      (ancho de cada bin)

           fn  = n * 10,7666  Hz

Al tener descompuesta la señal I+Q original en sus componentes espectrales mediante FFT, podemos actuar sobre los distintos bins para amplificar o atenuar las distintas componentes espectrales (multiplicando el valor binario de las muestras digitales de las señales por un valor fijo) en función de su frecuencia, o realizar otras manipulaciones, por lo que mediante el software adecuado se pueden construir diversas funciones que operan en el dominio de la frecuencia tales como las siguientes:

• Filtros de banda: Se tomará sólo las señales contenidas en determinados bins, omitiendo la información contenida en el resto de bins. Según el número de bins consecutivos tomados, el filtro será más ancho o más estrecho de banda, y con fuerte rechazo de las frecuencias fuera de banda (filtros muy selectivos).
   
• Conversión de frecuencia (se traslada el contenido de uno o varios bins a otros bins: Hacemos conversiones de frecuencias). 
   
• Demodulación de telegrafía (CW) y banda lateral única (SSB) (en la SSB, basta determinar en qué bin estaría situada la portadora suprimida en el proceso de modulación de SSB, según se trate de USB o LSB , y entonces los bins vecinos se corresponderán con la señal moduladora).
   
• Selección de banda lateral: útil para moduladores de SSB en transmisores de radio SDR: Conocido el espectro de la señal de AM, es fácil filtrar la banda lateral deseada tomando sólo la información contenida en los bins situados al lado adecuado del bin que contiene la frecuencia portadora.
   
• Filtros de ruido, filtros de muesca, etc...
   
• Squelch selectivo de frecuencia. 
   
• Ecualizadores gráficos (o control de tono, se realizan permitiendo asignar amplificaciones o atenuaciones ajustables a los distintos bins).
   
• Otros procesos de modulación y demodulación (RTTY, PSK31, DRM, etc...).

Una vez la señal ha sido completamente procesada en el dominio de la frecuencia, es fácil convertirla de nuevo al dominio del tiempo, es decir, a una única señal equivalente definida como sucesión de valores de amplitud en el tiempo. Para ello se usa la operación matemática conocida como "Inversa de la Transformada rápida de Fourier", IFFT (inverse FFT). Con la señal ya procesada y devuelta al dominio del tiempo, pueden realizarse algunas funciones adicionales en un receptor SDR, tales como la función de Control automático de ganancia (AGC), que se basará en la lectura de los valores de pico (máximos) de la señal a lo largo del tiempo, para controlar un amplificador o atenuador digital de ganancia variable que maneja la señal.

Finalmente la señal puede ser llevada a un conversor digital-analógico (D/A) para convertirla a señal analógica, ser amplificada y enviada a un altavoz para su escucha.

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EL TRANSCEPTOR SDR-1000

El equipo desarrollado por Gerald, AC5OG, es un transceptor denominado SDR-1000, de arquitectura SDR, y ha sido desarrollado en los primeros años de la década de los 2000´s. Su diagrama de bloques se mostró en la Figura 1. La parte física de este equipo consta de tres placas de circuito impreso apiladas una encima de las otras (ver Figura 7), cuyas funciones son:

• La primera placa incorpora el generador de frecuencias mediante síntesis digital directa (DDS), un oscilador maestro a cristal de alta calidad, un mezclador bidireccional I & Q, el detector de muestreo por cuadratura QSD, un control automático de ganancia AGC, y jacks de audio para la conexión a la tarjeta de sonido. El módulo sintetizador usa una frecuencia de reloj de 200 MHz, tiene una resolución de 1 microhertzio, y un ruido de fase (jitter) de 1 picosegundo rms máximo.
   
• Otra placa incorpora la parte de alimentación (generación de +- 15 V y +5 V, a partir de +12 V de alimentación general), los interfaces de conexión al ordenador (interface de puerto paralelo con un conector D de 25 pines), las memorias de registro (latchs) para las señales de entrada y salida (I/O) a través de las cuales el ordenador controla el generador de frecuencias DDS de la primera placa), y los relés de conmutación TX/RX.
   
• La tercera placa incorpora los filtros de banda de antena (filtros LC convencionales, conmutados mediante relés), el amplificador de potencia de 1 W en transmisión, y un conector BNC para la conexión de la antena o de un amplificador de potencia exterior.
   

Este equipo es capaz de cubrir en recepción desde 12 Khz a 65 Mhz, en cobertura continua, y en transmisión sólo dentro de todas las bandas de radioaficionados de 160 a 6 metros, todo ello en sus primeras versiones.

Su oscilador de síntesis digital directa DDS es capaz de cubrir ese margen de frecuencias en pasos de 1 Hz, y está basado en el chip AD9854, controlado a través de un microcontrolador PIC desde el software SRD del ordenador. Genera una frecuencia 4 veces mayor a la requerida por el mezclador QSD o Tayloe, y es dividida por 4 por un contador Johnson para generar las dos frecuencias de mezcla para el detector, desfasadas 90 grados.

Un mezclador bidireccional maneja las señales I y Q tanto para la recepción como para la transmisión. Y en el caso de la recepción, las señales I y Q pasan por un circuito de control automático de ganancia (AGC) cuya función es prevenir que la recepción de una señal fuerte pueda sobrecargar la entrada del conversor A/D de la tarjeta de sonido.

Las funciones de modulación y demodulación en AM, FM, SSB, RTTY, PSK (y otros modos que se deseen implementar), filtrado DSP y supresión de ruidos, AGC, control de frecuencia (control del DSS), etc..., están implementadas en el software SRD cargado en el ordenador.

Para evitar los inconvenientes de la conversión de las señales de entrada de antena directamente a banda base de BF (nivel de ruido mayor en frecuencias próximas a 0 Hz, típico de las conversiones directas), el receptor SDR no hace una conversión de frecuencia directa a banda base de 0 Hz, sino que hace una conversión a banda base de 11,025 KHz. Es decir, la frecuencia del oscilador local controlado por DDS aplicada al detector Tayloe ha de estar desplazada en 11025 Hz respecto a la señal sintonizada. Ello ayuda a reducir el efecto de los ruidos de fase de la señal generada por el oscilador-generador de frecuencias, y los ruidos próximos a 0 Hz. Una vez que la señal en banda base de 11025 Hz es digitalizada, es fácil usando el software adecuado pasarla a banda base de 0 Hz, antes de continuar con el resto de procesos de tratamiento digital de la señal (filtrados de ruidos, demodulación, etc...).

La Figura 8 muestra el esquema en bloques de la parte física o hardware del receptor SDR-1000, mientras que la Figura 9 muestra la arquitectura software básica del receptor, esto es, el tratamiento digital de las señales I y Q en el ordenador con los softwares adecuados para obtener la señal de baja frecuencia final, que se llevará al altavoz conectado a la tarjeta de sonido.

La arquitectura software básica del receptor consiste en lo siguiente: Las señales I y Q presentes en la entrada de la tarjeta de sonido son muestreadas, digitalizadas y sometidas a un proceso de Transformada Rápida de Fourier FFT complejo de 4096 bins, por lo que son convertidas al dominio de frecuencias. Un generador calcula unos coeficientes de filtro pasabanda (BPS) y mediante otro proceso FFT son convertidos también al dominio de frecuencias. Ambas señales, en el dominio de frecuencias (señal útil y señal de filtrado) son multiplicadas digitalmente (mediante una función de mezcla digital) para proporcionar el ancho de banda del filtrado máximo de la señal útil y procesarla adecuadamente, por ejemplo para demodularla. La señal filtrada es procesada a continuación por una transformada rápida inversa de Fourier IFFT para convertirla de nuevo al dominio del tiempo. Y ya en este dominio, la señal es sometida a procesos de filtrado adaptativo de ruido (LMS noise), filtro de muesca (Notch filter), y control automático de ganancia (AGC) basado en la detección de los valores de pico de la señal. La señal resultante de todo estos procesos es la señal ya demodulada y filtrada, que llevada al conversor D/A de la tarjeta de sonido, es convertida a señal analógica para su amplificación y salida a altavoz.

Los requisitos mínimos de ordenador que requiere este equipo son un PC de 600 MHz o más rápido, dotado de tarjeta de sonido compatible SoundBlaster, y con sistema operativo Windows 95 o superior (versiones posteriores del software pueden ser desarrolladas para otras plataformas informáticas).

El software SDR original desarrollado por Gerald incluye muchas otras prestaciones adicionales. Es un software de "código abierto" (está publicado todo su código de programa, escrito en Visual Basic), por lo que está abierto a que cualquier usuario con conocimientos de programación pueda modificarlo para mejorar aspectos de éste o introducir nuevos modos y nuevas prestaciones.

Como ejemplos de características adicionales del software SDR original están las siguientes:

• Inclusión de un conjunto de filtros DSP de distintas características para supresión de ruidos (distintos anchos de banda), y seleccionables, que dan varios valores de selectividad al receptor: 6, 4, 2.6, 2.1, 1.0 Khz, 500, 250, 100 y 50 Hz.
   
• Un analizador gráfico de espectro de la señal recibida por la tarjeta de sonido,
   
• Tres sistemas de sintonía distintos (mediante tecleado del valor numérico de la frecuencia, mediante un mando de sintonía, o a través del analizador gráfico de espectro seleccionando en éste con el puntero del ratón en pantalla la señal deseada).
   
• Control de ganancia de audio.
   
• Smetter en modo numérico y en modo gráfico,
   
• Selección de tipo de control automático de ganancia, ajustando su constante de tiempo entre cuatro valores (CAG largo, rápido, medio o lento). El CAG también es manejado de forma totalmente digital (hay un CAG externo implementado en el hardware del receptor, pero su función es proteger la entrada del conversor A/D de la tarjeta de sonido frente a señales fuertes).
   
• Memorias para almacenar diversas condiciones de operación en las distintas bandas (anchos de banda de los filtros, tipo de CAG, etc...). Permite almacenar hasta cuatro configuraciones por cada banda de trabajo, seleccionables mediante clics del ratón.
   
• Un reloj en tiempo real (en hora local y hora UTC), que toma la hora de la hora del reloj del ordenador. Si está bien sincronizado con alguna referencia horaria exacta externa (a través de Internet, o mediante aguna emisora patrón de frecuencia y horaria como la DCF77 en VLF), esto lo hace especialmente útil para el uso de modos digitales que requieren sincronizaciones de tiempo para establecer los turnos de emisión y de recepción.
   
• Control de la memoria reservada para el uso de la telegrafía, que permite enviar de forma automática un texto como baliza telegráfica.
   
• Posibilidad de controlar dos transverters, y de operación en modo "split". Ello está pensado a nivel del hardware mediante el uso de dos VCO, y de las funciones adecuadas en el hardware de control.
   
• Y bastante más cosas...
   

La siguiente imagen muestra un ejemplo de presentación en pantalla de un software SDR donde se aprecian los distintos mandos y controles de un receptor SDR, donde destaca el el analizador gráfico de espectro, a través del cual se observan las señales presentes dentro del ancho de banda que es capaz de procesar la tarjeta de sonido, y a través del cual se puede sintonizar una de ellas.

El desarrollo de los softwares DSP que constituyen el software de los equipos de radio DSR es relativamente sencillo para cualquier programador, ya que Intel tiene publicado y disponible un conjunto de librerías software para las funciones DSP, lo que facilita el desarrollo de programas para ordenador destinados a dispositivos DSP, como son las tarjetas de sonido.

Este equipo goza de muy buena selectividad, y una sensibilidad de recepción buena, aunque al principio no era equiparable a la de un receptor de alta gama (podía ser necesario añadir un preamplificador de antena para mejorar este aspecto). Sin embargo, actualmente utilizando una buena tarjeta de sonido estos equipos definidos por software ya tienen prestaciones que no envidian a los transceptores de radio convencionales de alta gama. Y es que una buena tarjeta de sonido es fundamental para obtener un receptor SDR de altas prestaciones, como se verá un poco más adelante.

Este equipo, el SDR-1000, es comercializado por FlexRadio System, empresa de Austin (Texas) a la que pertenece su diseñador, Gerald Youngblood (AC5OG), y en la página web de la empresa se indica incluso cuál es la tarjeta de sonido oficialmente recomendada por los diseñadores del SDR-1000 para obtener las mejores prestaciones del SDR-1000. A finales de 2005 esta tarjeta era la tarjeta profesional Delta-44 de la firma M-Audio, tarjeta PCI dotada de 4 canales de entrada analógicos, que puede muestrear a 96 KHz y 24 bits de resolución por muestra, y para la que sus fabricantes informan que tiene un rango dinámico de 98 dB para su conversor A/D de entrada, y de 103 dB para el conversor D/A de salida.

Para los interesados, la arquitectura de los equipos SDR está escrita por Gerald Youngblood, AC5OG, en diversos números de la publicación QEX del año 2002 (QEX es una publicación regular de la ARRL).

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IMPORTANCIA DE LA TARJETA DE SONIDO

Las prestaciones de un receptor SDR dependen totalmente de las prestaciones del chip DSP que procesa las señales I y Q, y en consecuencia, de que la tarjeta de sonido empleada en el ordenador contenga un chip DSP de mejores o peores prestaciones.

En efecto, usando una muy buena tarjeta de sonido, las prestaciones que proporciona al equipo SDR son elevadas, en cuanto a sensibilidad, selectividad e intermodulación, siempre que se ajusten los parámetros del software proporcionado para el equipo SDR a valores óptimos (lo cual puede ser un poco complicado). Debe tenerse en cuenta que la tarjeta de sonido procesa el audio entregado por el hardware o circuitería física del receptor SDR, y es una banda de audiofrecuencia que es digitalizada por un conversor A/D, procesada digitalmente por el DSP de la tarjeta y por el software SDR, y convertida de nuevo a sonido analógico mediante un conversor D/A, para escucharla en los altavoces conectados a la tarjeta de sonido.

La calidad del chip DSP, y por tanto, de la tarjeta de sonido, depende fundamentalmente de dos parámetros:

Resolución del chip DSP:

La resolución del chip DSP (o de la tarjeta de sonido que lo soporta) indica el número de bits por muestra de señal analógica digitalizada. Cuanto mayor sea esta resolución, mayor será el rango dinámico del equipo SDR.

Un rango dinámico muy alto hace que la tarjeta tenga una tendencia a la intermodulación y bloqueo por señales fuertes mucho menor y se equipare en este aspecto a los mejores equipos de radio convencionales. Los muestreos a una tasa de bits por muestra más alto permite que la tarjeta pueda muestrear eficazmente señales mucho más débiles, aumentando la sensibilidad del SDR.

Las primeras tarjetas de sonido tenían una resolución de 8 bits. Actualmente, la mayoría de las tarjetas de sonido para ordenador son de 16 bits de resolución, lo que proporciona una calidad de sonido bastante buena para las aplicaciones normales de audio. Pueden diferenciar 2¹⁶ = 65.536 niveles de señal de audio. También existen tarjetas de sonido de 24 bits de resolución, que son empleadas para aplicaciones de sonido profesional, y por ello no se fabrican tarjetas de sonido de mayor resolución (32 bits o más) ya que es innecesario en el campo del sonido profesional. Una tarjeta de 24 bits pueden diferenciar 2²⁴ = 16.777.217 niveles de audio. Las tarjetas SoundBlaster de gama alta son de esta resolución.

Para una tarjeta de sonido o dispositivo DSP, su rango dinámico viene dado por:

     Rango dinámico (dB) = 20 * log 2ⁿ      (n = nº de bits de resolución)

que corresponde a 98 dB para resoluciones de 16 bits, y 144 dB para resoluciones de 24 bits. Esto es, con 16 bits se pueden distinguir señales con diferencias de nivel de -98 dB, y con 24 bits, se pueden distinguir diferencias de señales de -144 dB. Ello es teórico, ya que en la práctica se necesitan algunos bits para digitalizar una señal muy débil que tenga un aspecto mínimamente sinusoidal, lo que significa que el número de bits de resolución es en realidad inferior: Si suponemos que se emplean 4 bits para digitalizar señales muy débiles, quedan 12 bits de resolución real para las tarjetas de 16 bits, y 20 bits para las tarjetas de 24 bits, lo que corresponde respectivamente a rangos dinámicos de unos 74 dB para tarjetas de 16 bits (lo que es bastante corto para un equipo de radioaficionado), y de unos 120 db para tarjetas de 24 bits (lo cual ya está bastante bien y está a la altura de los buenos receptores de radioaficionado).

A la práctica, las tarjetas de sonido de 16 bits ordinarias (incluidas las que están incorporadas en las placas base de los ordenadores personales actuales) proporcionan un rango dinámico real de unos 68-75 dB (frente a los 98 dB teóricos), lo que haría que la calidad del receptor SDR fuera mediocre y poco operativo, mientras que para las tarjetas de 24 bits el rango dinámico real es de unos 90-100 dB.

La frecuencia de muestreo:

La frecuencia de muestreo va a determinar el ancho de banda máximo que podrá filtrar, monitorizar y procesar simultáneamente la tarjeta de sonido o el dispositivo DSP.

En efecto, el ancho de banda monitorizado corresponde a la mitad de la frecuencia de muestreo empleada:

Para una frecuencia de muestreo de 48 KHz, la unidad DSP puede monitorizar un ancho de banda de 24 KHz, esto es, +-12 KHz alrededor de la frecuencia del oscilador de conversión.

Para una frecuencia de muestreo de 96 KHz, la unidad DSP puede monitorizar un ancho de banda de 48 KHz, esto es, +-24 KHz alrededor de la frecuencia del oscilador de conversión.

Para una frecuencia de muestreo de 192 KHz, la unidad DSP puede monitorizar un ancho de banda de 96 KHz, esto es, +-48 KHz alrededor de la frecuencia del oscilador de conversión (agunas bandas de radioaficionado de HF tienen asignados segmentos para la práctica de la telegrafía de sólo 100 KHz, por lo que con una tarjeta o dispositivo DSP de 192 KHz de frecuencia de muestreo, prácticamente se puede monitorizar y trabajar la casi totalidad del segmento sin cambiar la sintonía del oscilador de conversión, que incluso puede ser un oscilador de frecuencia fija a cristal de cuarzo).

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DESARROLLO DE LOS EQUIPOS DE RADIO SDR

Tras la aparición de los primeros equipos de radio SDR, como el SDR-1000, comercializado por FlexRadio System, comenzaron a aparecer nuevos equipos SDR y sofwares SDR cada vez más potentes.

Hay equipos SDR que funcionan con la tarjeta de sonido del ordenador, y equipos SDR que incorporan una tarjeta DSP especialmente diseñada y que por tanto no requieren de la tarjeta de sonido del ordenador, utilizando éste sólo para controlar funciones básicas del equipo SDR (selección de frecuencia, selección de modos, filtros, etc...). Incluso hay dispositivos DSP con elevadas frecuencias de muestreo, de varios megahertzios, lo que permite que el receptor DSP pueda cubrir un ancho de banda de varios megahertzios, e incluso ser empleado como analizador de espectros.

Hay pequeños kits SDR que utilizan una frecuencia de conversión fija controlada por un cristal de cuarzo, y que conjuntamente con la tarjeta de sonido del ordenador, permite cubrir un pequeño segmento de alguna banda de HF, como es el caso de los kits del grupo SoftRock Radio. Son receptores SDR monobanda de bajo ancho de banda (ya que queda limitada por la resolución de la tarjeta de sonido empleada), sólo unas decenas de Kilohercios, pero que para más de un radioaficionado le es suficiente si se dedica principalmente, por ejemplo, a la telegrafía o a otras modalidades cuya asignación en el espectro es de unos pocos kilohercios en las distintas bandas.

Mientras, los equipos SDR más potentes disponen de un oscilador local DSS (de síntesis directa), cuya frecuencia de oscilación (y por tanto, la sintonía del equipo DSS) es controlada desde el ordenador a través del software SDR. La conexión para control del equipo SDR desde el ordenador es normalmente a través de conexión USB o conexión serie RS232 (aunque ésta es cada vez menos habitual en los modernos ordenadores actuales).

Como ejemplos de radios SDR de grandes prestaciones disponibles ya en 2007-2008, y que muestra la potencialidad de lo que se puede lograr con las radios SDR, se pueden citar el transceptor FLEX-5000A de FlexRadio System, y el receptor Perseus SDR, de la firma italiana Microtelecom.

El transceptor FLEX-5000 es un novedoso transceptor de la firma FlexRadio System, que permite la operación en las bandas de HF y de 6 metros, con una potencia de transmisión de hasta 100 watios en el modelo FLEX-5000A, o 300 watios en el modelo FLEX-5000D. Incluye su propia unidad DSP, lo que evita tener que funcionar a través de la tarjeta de sonido del ordenador, y la conexión a éste es a través de un interface de alta velocidad Firewire (IE-1394). Dispone también de una CPU Intel Core A con sistema operativo Windows XP, lo que significa que tiene integrado un ordenador, e incorporan conexión para ratón y teclado inalámbrico, e incluso en los modelos de la serie D, incorporan una pantalla táctil integrada. Dispone de varias tomas de antenas, tomas de micrófono, altavoz y manipulador telegráfico, y todo ello dentro de una única caja.

Pero este equipo, como la mayoría de los equipos SDR del momento, se controla desde un ordenador externo en el cual funciona el programa SDR que lo maneja. A través de la conexión Firewire, el programa SDR del ordenador externo controla la frecuencia del oscilador de conversión del equipo, y por tanto, su sintonía, así como la selección de modos, filtros de banda, etc... Aunque todo el trabajo de procesamiento de las señales I y Q lo realiza la unidad DSP incorporada en el transceptor, haciendo innecesario el concurso de la tarjeta de sonido del ordenador externo, el transceptor envía muestras de las señales I y Q a través de la conexión Firewire al ordenador externo para que el programa SDR pueda realizar las funciones de visualización del espectro y de sintonía de señales.

Transceptor Flex-5000A. Haz clic en las imágenes para ampliar.

En cambio, el receptor Perseus SDR es un receptor que se apoya en la tarjeta de sonido del ordenador, pero que tiene la característica de poder realizar muestreos de señales a una velocidad de muestreo muy elevada, de hasta 80 MHz, con 14 bits de resolución, y ello permite que cubra perfectamente y digitalice todo el ancho de banda de 0 a 40 MHz simultáneamente, con un rango dinámico en torno a los 100 dB (que sin ser de lo mejor, comparado con los buenos equipos de radioaficionado, es bastante bueno). Este equipo SDR envía al ordenador las señales digitalizadas I y Q a través de una conexión de alta velocidad USB 2.0 (capaz de realizar transferencias de hasta 480 Kbits/s), donde el software SDR específico para este equipo, el software Perseus, se seleccionan y envían las muestras a la tarjeta de sonido, y se procesan. Además, es un receptor de pequeño tamaño, más pequeño que una caja de puros.

Receptor Perseus. Pulsa aquí para ver su diagrama de bloques.

Lo interesante de este receptor es la capacidad de poder digitalizar simultáneamente un ancho de banda tan elevado, de hasta 40 MHz (por lo que es un receptor para las bandas de VLF, LF, Onda Media y HF), y ello es gracias al uso de un chip digitalizador que incorpora que permite frecuencias de muestreo de hasta 80 MHz, evidentemente muy por encima a la de las mejores tarjetas de sonido. El software original de este receptor permite ver en pantalla un ancho de banda de 800 KHz, o bien todo el espectro entre 0 y 30 MHz (por lo cual puede utilizarse incluso como analizador de espectro).

Sin embargo, el chip digitalizador sólo puede digitalizar con una resolución de 14 bits, lo que le da un rango dinámico teórico de unos 78-80 dB, un poco mediocre para un buen receptor de comunicaciones. Sin embargo el fabricante afirma que su rango dinámico es de 96 dB, y es aumentado en base a un proceso que denomina decimación, que básicamente consiste en tomar una muestra de cada 10 para su envío a través de la conexión USB al ordenador (conexión que admite como máximo unos 480 kbits/s), lo que implica que se envíe un chorro de bits al ordenador de unos 100 Kbits/s, permitiendo enviar señales I y Q digitalizadas de 24 bits a través de la conexion USB con destino a la tarjeta de sonido. Este procedimiento mejora mucho el rango dinámico del receptor.

El uso de mejores chips DSP con mayores velocidades de muestreo y mayores resoluciones puede llevar a la construcción de receptores SDR capaces de explorar simultáneamente muy elevados márgenes de frecuencia y con un buen margen dinámico, pero serían chips DSP muy caros y seguramente para aplicaciones militares, al menos cuando surgió este modelo de receptor SDR.

El receptor está montado en una placa única, en el que hay 9 filtros pasobanda que se seleccionan mediante pequeños relés (controlados a través del enlace USB por el software SDR del ordenador), el circuito de muestreo y digitalización de elevada velocidad, y de comunicación a través del enlace USB 2.0. En el panel frontal dispone de algunos leds indicadores y pulsadores que controlan atenuadores de señal y si han de actuar o no los preselectores de banda. En el panel trasero están la conexión de antena, de alimentación (+5 Volts), y un conector USB estándard.

Como se puede ver con estos ejemplos, las radios SDR son una alternativa muy seria a los equipos de radiocomunicaciones de formato clásico, y más baratos, ya que gran parte de la circuitería es sustituida por el software SDR que los hace funcionar, y con las ventajas añadidas de que las prestaciones de las radios SDR dependen principalmente del software SDR: Añadir nuevos modos de modulación/demodulación, modos digitales actuales y futuros, etc.. se consigue a través del software SDR, mejorando y ampliando éste, mientras que en una radio de formato convencional puede ser necesario añadir circuiterías extras. El tratamiento mediante DSP de las señales mejora los filtros de señales, muy por encima de los filtros analógicos (frecuencia intermedias, filtros de audio, etc..) de los radios convencionales.

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EL PROYECTO HPSDR

HPSDR (High Performance Software Defined Radio, Radio Definido por software de altas prestaciones) es un proyecto para la creación de una nueva generación de equipos de radio de HF de tecnología SDR para su uso por los radioaficionados y los radioescuchas de la Onda Corta (SWL's). Los equipos HPSDR son de característica modular, y su desarrollo incluye tanto la parte física o hardware, que es de tipo modular, como el software o programas que lo hacen funcionar, software que es de licencia "open source", esto es, software de código abierto, y por tanto, el código de los programas es de conocimiento público, y de libre uso incluso para su estudio y modificación por el usuario.

El desarrollo del proyecto HPSDR lo iniciaron un grupo de entusiastas norteamericanos de la entonces nueva tecnología SDR, entre los cuales se pueden citar como miembros más destacados a los radioaficionados norteamericanos Ray Anderson WB6TPU, Steve Bible N7HPR, Phil Covington N8VB, Rick Hambly W2GPS, Phil Harman VK6APH, Lyle Johnson KK7P, Ulrich Rohde N1UL, y Bill Tracey KD5TFD. El proyecto está abierto a todo aquel de todo el mundo que quiera colaborar, y comenzó a debatirse en foros de discusión de Internet en marzo de 2006. Muy pronto surgieron las primeras ideas prácticas, y el 20 de mayo de 2006 el proyecto fue presentado por Johnson KK7P ante una gran audiencia en la convención anual de radioaficionados norteamericanos de Dayton del 2006.

El desarrollo hardware de un equipo HPSDR es de tipo modular: El equipo estaría constituido por una serie de módulos, cada uno de los cuales es diseñado para realizar una función determinada, y la interconexión entre los distintos módulos del equipo es a través de un bus de datos común soportado sobre una placa base, la cual dispone de los conectores necesarios para enchufar los distintos módulos. Físicamente esto es bastante similar a la estructura de un moderno ordenador PC de base, donde hay una placa base o "motherboard", con una serie de conectores a los cuales se enchufan distintas tarjetas de ampliación de funciones del sistema (tarjeta de vídeo, de sonido, módem telefónico, tarjeta de red, etc...).

Esta estructura modular permite que el usuario incorpore en su equipo HPSDR los módulos que le sean de interés, y a los desarrolladores, les permite desarrollar variantes de cada módulo buscando mejorar las características y prestaciones de éstos, y que que pueden reemplazar a los ya existentes. Los módulos pueden variar en complejidad, desde sencillos módulos de filtro de pasobanda o de interfaces I/O (entrada/salida), hasta módulos mucho más complejos, como módulos de funciones DSP.

Los módulos han sido denominados cada uno con un nombre para su fácil identificación cuando se habla o escribe acerca de ellos. Algunos módulos han sido diseñados para ser utilizados conjuntamente con otros para realizar su función, mientras que otros tienen un funcionamiento más independiente. Cada módulo está realizado en una placa impresa rectangular de tamaño 100 mm por 120 a 220 mm, a excepción de la placa base donde son enchufados. Los conectores empleados para los módulos y la placa base son conectores de tipo DIN41612 de 64 ó 96 pines de conexión. Cada uno de ellos está programado con el firmware (software interno) necesario para funcionar, firmware que está almacenado en algún chip lógico del módulo.

A fecha de octubre de 2008 ya estaban desarrollados un número importante de módulos, mientras que otros estaban en proyecto o en versiones de prototipos, y también se necesitaba desarrollar nuevos módulos para desarrollar completamente un equipo HPSDR. El desarrollo se está siendo llevado a cabo por el grupo HPSDR, en cuyo sitio web tienen una página dedicada a cada módulo desarrollado o en desarrollo.

El esquema de bloques de un equipo HPSDR básico consta de 4 módulos, además de la placa base de soporte e interconexión de los módulos. En el proyecto HPSDR hay desarrollados más módulos, así como otros que, externos al propio equipo HPSDR, complementan a éste. Los módulos en desarrollo hasta octubre de 2008 son los siguientes:

• ATLAS : Placa base pasiva que incluye hasta 6 conectores DIN41612 para enchufar módulos del sistema, y un conector de alimentación (alimentación de 12, 5 y 3,3 V proporcionada por una fuente de alimentación externa de PC tipo ATX). La placa contiene un bus de señales pasivo que pasa por todos los conectores, para proporcionar la interconexión entre todos ellos.
  
  
  
  Placa Atlas, versión 1a
  
   
• OZYMANDIAS (OZY) : Módulo de interface con el exterior, basado en un chip FGPA de la firma Altera. Proporciona líneas de entrada y salida con sus correspondientes conectores, para conexión del sistema HPSDR con el mundo exterior: Un interface serie (RS232), un interface paralelo, y un un interface USB 2.0 de alta velocidad para conexión a un PC de control, que puede ser empleado para procesar las señales muestreadas por el módulo Mercury (receptor) si no se equipa el módulo Sasquatch (módulo DSP).
   
• MERCURY : Módulo de muestreo de gran ancho de banda para la etapa frontal del receptor, capaz de muestrear directamente el espectro de frecuencias comprendido entre 0 y 65 MHz. Utiliza un convertidor A/D de 16 bits LTC2208 de Linear Technology, e incorpora su propia FPGA para generar una señal digital de hasta 250 Kbps a partir de las muestras proporcionadas por el convertidor A/D, que es enviada a través del bus de la placa Atlas al interface USB del módulo OZY para su procesamiento por un PC externo (en este aspecto, este funcionamiento recuerda bastante al funcionamiento del anteriormente descrito receptor Perseus).
   
• SASQUATCH : Módulo DSP completo para el procesamiento de las señales I,Q procedentes del módulo Mercury (receptor) o para generar las señales I,Q para el módulo Penélope (transmisor), que evita el uso de un PC para realizar esta función.
   
• PENELOPE : Placa excitadora o transmisora de baja potencia para HF, de 0,5 W de potencia de salida. Procesa las señales I,Q procedentes del PC o de la placa Sasquatch (módulo DSP del sistema) para generar la señal a transmitir.
   
• JANUS : Módulo convertidor A/D y D/A de funcionamiento full-dúplex, y cuyas características son similares a la de los convertidores A/D y D/A de las mejores tarjetas de sonido para ordenador.
  
  
  
  Placa Janus, Prototipo versión alfa 2
  
   
• PINOCCHIO : Placa de extensión de la placa base Atlas que permite la conexión de un módulo que se quiera probar y hacer medidas en él. Es una placa pasiva de tamaño mayor a la de los demás módulos, que prolonga el bus de la placa Atlas, y que incluye puntos de medida de cada señal del bus en su parte superior (a una altura superior a la del resto de módulos del sistema, para que los puntos de medida sean accesibles), y que incluye en su extremo superior un conector para enchufar el módulo a probar.
  
  
  
  Conjunto de placas Atlas, Janus (en primer plano)
  y Pinocchio (al fondo)
  
   
• EPIMETHEUS (EPI) : Placa de entrada/salida de propósito general que se conecta a la placa Atlas. Incluye entradss-salidas actuadas por relés miniatura, un crossconector digital de alta velocidad, entradas digitales optoaisladas y salidas digitales en colector abierto. Un chip CPLD conecta entradas y salidas al bus de datos de la placa Atlas.
   
• ALEXIARES (ALEX) : Placa con un conjunto de filtros pasabanda de entrada para su uso con el módulo Mercury o con cualquier otro receptor SDR.
   
• PANDORA : Proyecto de caja destinada a albergar todo el conjunto HPSDR. Alberga la placa base Atlas, las tarjetas enchufadas a ésta, un par de ventiladores de refirgeración, y en una de sus caras, están dispuestas ventanas alargadas para que asomen los conectores de los distintos módulos del sistema (similarmente a las "bahías" de las cajas de los ordenadores PC de base, por las que asoman los conectores de las placas de expansión del sistema).
  
  
  
  Caja Pandora modelo BK959, alojando las placas Atlas, Ozy, y Janus
  
   
• DEMETER : Fuente o unidad de alimentación externa especialmente pensada para el proyecto HPSDR. Proporciona una serie de tensiones de alimentación al sistema HPSDR (+5, +12 y -12 V principalmente) a partir de la tensión alterna de red (110 ó 230 Volts) o de una batería o fuente de alimentación de 13,8 Voltios.
   
• PROTEUS : Tarjeta de prueba de prototipos destinada para experimentadores que deseen probar cualquier cosa no recogida por los módulos en el proyecto HPSDR.
   
• THOR : Amplificador de potencia eficiente de HF que utiliza las técnicas ERR (Envelope Elimination and Restoration). Es excitado por la salida de señal del módulo de baja potencia Penelope. Es, pues, un módulo externo al equipo HPSDR.
   
• GIBRALTAR : Módulo generador de frecuencia estándard precisa de 10,000 MHz y 1 Hz para el proyecto HPSDR a partir de las señales GPS captadas por un módulo receptor GPS con toma de antena exterior que incluye en su circuitería. Las señales de 10,000 MHz y de 1,000 Hz se envían a través de las líneas correspondientes del bus Atlas a los módulos que las necesitan, así como a conectores en el módulo desde donde tomar las señales.
   
• PHOENIX : Módulo que incluye un receptor HF basado en un ISD (Integrating Sampling Detector), un excitador HF basado en un QSE (Quadrature Sampling Exciter), y un sintetizador.
   
• CYCLOPS : Módulo analizador de espectro 0-1 GHz y generador de frecuencia de seguimiento (Tracking Generator). Basado en el módulo Mercury.

Por entonces (octubre de 2008), faltaban por desarrollar módulos como filtros pasabanda, un convertidor I/Q de banda estrecha para complementar al convertidor A/D Mercury, y un módulo de transmisión de baja potencia, entre otros.

Como ejemplo de todo esto se muestra a continuación el transceptor HPSDR que realizó el radioaficionado australiano Phil Harman (VK6APH) en 2007, con el que realizó sus primeros contactos el 7 de octubre de ese año, coincidiendo con su 40 aniversario de obtener su licencia de radioaficionado. Los módulos que lo constituyen son, de izquierda a derecha, un prototipo Mercury constituido por una placa Ozy y una placa de evaluación del chip LT2208 (chip convertidor A/D de 16 bits), una placa Penelope (con su conector de RF), y una placa Ozy, montadas sobre una placa de bus Atlas.

Transceptor HPSDR de Phil Harman, VK6APH, año 2007

 

Inicio

Fuentes:

Revista CQ RadioAmateur, Edición española, nº 243 (marzo 2004) y 287 (Marzo 2008)

Documento "Software defined Radio modèle SDR-1000, de Luc Favre (F6HJO-HB9ABB)

Documento "A software-Defined Radio for the masses, part 1", de Gerald Youngblood (AC5OG) 

Sitio web del grupo HPSDR.

Fernando Fernández de Villegas (EB3EMD)
Primera versión: Junio 2004
Última actualización: Octubre 2008